2.5 Переползание дислокаций

Краевые и винтовые дислокации могут перемещаться из одной плоскости скольжения в другую, ей параллельную.

Различают движение дислокаций и перепозание дислокаций. Применительно к краевым дислокациям движение дислокации характеризуется смещением дислокации вдоль одной плоскости скольжения, причем размеры дополнительной атомной плоскости остаются неизменными. Переползание краевой дислокации дает переход дислокации из одной плоскости скольжения в другую, ей параллельную, причем размеры дополнительной плоскости изменяются за счет переноса вещества путем диффузии.

Для перехода краевой дислокации в расположенную выше соседнюю плоскость скольжения необходимо, чтобы цепочка атомов на самой кромке добавочной плоскости ушла в глубь монокристалла путем диффузии (положительное переползание). Для перехода краевой дислокации на нижелательную соседнюю плоскость скольжения необходимо, чтобы к краю добавочной плоскости за счет диффузии присоединился одн атомный ряд.

Так как диффузия есть термически активируемый процесс, переползание также является термически активируемый процессом, скорость протекания которого существенно зависит от температуры, возрастая с увеличением последней.

Переползание дислокации, связанное с изменением межатомных расстояний , вызывает деформацию кристаллов, а при интенсивном переползании и направленной диффузии атом может является источником возникновения пластических деформаций.

Так как винтовые дислокации не имеют лишних атомных плоскостей, то переползание винтовой дислокации не требует переноса вещества путем диффузии и переход винтовой дислокации на новую плоскость скольжения осуществляется сравнительно беспрепятственно.

Возникновение и размножение дислокаций

В реальных монокристаллах дислокации возникают в процессе кристаллизации, а также в процессе пластической деформации. Механизм возникновения дислокаций в процессе кристаллизации из жидкого металла разнообразен.

Дислокации могут возникать в результате сравнения слегка разориентированных ветвей дендрита. Разориентировка может быть следствием наличия градиента температур, концентрированных токов и других причин. На рисунке 13 показан простейший случай срастания двух симметрично разориентированных частей одного кристалла (а) и образования на поверхности срастания положительных дислокаций (б).

Рисунок 13 – Схема возникновения дислокаций

Начальная ступенька винтовой дислокации может образоваться при кристаллизации под влиянием инородных атомов и посторонних примесей, а также вследствии того, что зародыши кристаллов чаще возникают на готовой подложке (то есть стене изложници, твердые частицы, взвешанные в расплаве),форма которой отлична от формы привильного кристалла затвердевающего вещества.

Существуют и другие варианты возникновения дислокаций в процессе кристаллизации, но все они связаны с несовершенством условий кристаллизации. Это несовершенство условий кристаллизации, связанное с конвекционными токами, градиентами температур, действием инородных атомов и другими причинами, приводит к тому, что реальный монокристалл состоит из субзерен (блоков мозаики). Блоки мозаики представляют собой стыкующиеся ячейки монокристаллов размерами порядка см, имеющие сравнительно правильное кристаллическое строение, но повернутые один относительно другого на угол порядка . На рисунке 14 показана схема мозаичной структуры реального монокристалла.

Рисунк 14 - Схема мозаичной структуры реального монокристалла

Дислокации возникают в процессе пластической деформации, причем, хотя часть дислокации выходит на поверхность монокристалла или взаимно уничтожается, общее количество дислокаций в процессе холодной деформации увеличивается.

Механизм возникновения дислокаций в процессе пластической деформации выяснен не полностью, и существует ряд гипотез, часть из которых имеет косвенное экспериментальное подтверждение. Наиболее обоснованной является гипотеза, обьясняющая возникновение новых дислокаций наличием локальных препятствий движению исходной дислокации. Эта гипотеза была предложена Ф.К.Франком и В.Т.Ридом. Были предложены два механизма возникновения новых дислокаций.

Дислокации возникают и в процессе пластической деформации, причем, хотя часть дислокаций выходит на поверхность моно­кристалла или взаимно уничтожается (например, слияние поло­жительной и отрицательной краевых дислокаций), общее коли­чество дислокаций в процессе холодной деформации увеличи­вается. Так, например, А. Д. Манасевич [48] отмечает, что со­гласно теоретическим расчетам в хорошо отожженном металле число дислокаций составляет примерно в 1 см², а в наклепан­ном металле может достигать 10¹² в 1 см².

Механизм возникновения дислокаций в процессе пластической деформации выяснен не полностью, и существует ряд гипотез,часть из которых имеет косвенное экспериментальное подтверж­дение. Наиболее обоснованной является гипотеза, объясняющая возникновение новых дислокаций наличием локальных препят­ствий движению исходной дислокации. Эта гипотеза была пред­ложена Ф. К. Франком и В. Т. Ридом. Были предложены два механизма возникновения новых дислокаций.

Первый относится к случаю, когда дислокация имеет одно­стороннее защемление. Допустим, что линия ABC (рисунок 15, а) изображает краевую дислокацию, а плоскости, параллельные плоскости CDE, — единственно действующие плоскости сколь­жения. Примем также, что отрезок АВ (край дислокации) за­креплен. Отрезок ВС может двигаться в плоскости CDE и вра­щаться вокруг точки В. При его движении во всех пройденных им областях осуществляется единичный сдвиг. Так, при переходе отрезка ВС в положение BD на площади сектора BCD происхо­дит сдвиг на одно межатомное расстояние. На остальных участках плоскости CDE скольжения нет. Полный оборот отрезка ВС дает сдвиг всей плоскости на одно межатомное расстояние.

Повторяющимся вращением отрезка ВС можно получить не­ограниченное количество единичных сдвигов. В действительности для осуществления единичных сдвигов необходимо, чтобы вра­щающаяся линия закручивалась по спирали, как это показано на рисунке 15, б. После того, как линия в процессе вращения полу­чит форму спирали по всей плоскости сдвига CDE, за каждый пол­ный оборот спирали будет происходить единичный сдвиг. Закру­чивание линии ВС по спирали соответствует тому, что «лишняя» плоскость АВСС₁ становится цилиндрической поверхностью, дающей спираль в сечениях, перпендикулярных к линии АВ. Закручивание вокруг точки В приводит к увеличению длины линии дислокации.

Рисунок 15 – Механизм возникновения новых дислокаций

Второй вариант размножения дислокаций при движении частично заторможенной дислокации относится к случаю, когда дислокационная линия закреплена с обоих концов. Это так назы­ваемый источник Франка—Рида. На рисунке 16 приведена схема образования новых дислокаций из источника Франка—Рида.

Рисунок 16 - Схема образования новых дислокаций из источника Франка—Рида

Плоскость чертежа на рисунке 16 является плоскостью скольжения, содержащей линию дислокации DD' (рисунке 16, а), закреп­ленную в точках D и D'. Приложенные напряжения т выгибают линию дислокации в дугу (рисунке 16, б). Радиус кривизны за­висит от приложенного напряжения и уменьшается по мере роста последнего. Минимальный радиус кривизны получится, когда линия дислокации примет форму полуокружности.

Дальнейшее движение дислокации может приводить к увели­чению радиуса кривизны линии дислокации, что должно соответ­ствовать уменьшению напряжения т. При неизменном же зна­чении т линия дислокации должна закручиваться вокруг то­чек D и D'. Дальнейшее последовательное изменение формы и раз­меров линии дислокации показано на рисунке 16, в—д. Линия дис­локации образует большую петлю, которая в результате встреч­ного движения точек т и п в конечном итоге превращается в зам­кнутую петлю дислокации и новую дислокацию DD', аналогич­ную исходной. При встрече сегментов в точках т и п они анни­гилируются, так как в этих точках дислокация имеет положи­тельную и отрицательную краевую ориентацию.

Описанные источники появления дислокаций в процессе пластической деформации не являются единственно возможными. В частности, при деформировании поликристалла дислокации могут зарождаться у границ зерен вследствие местного «надавли­вания» соседних зерен, имеющих неправильную форму, в про­цессе их формоизменения.

Появление новых дислокаций в процессе пластической де­формации и направленное перемещение их от одного края моно­кристалла к другому под действием внешних сил приводит к тому, что относительное смещение отдельных элементов монокристалла в процессе пластической деформации намного превышает меж­атомные расстояния.

27