Дислокацияның орын ауыстыруы үшін қажетті күштер

Кристалдың сырғанауы болуы мүмкін жазықтығында центрі О, шекаралары және нүктелері болатын оң дислокация болсын (2.16 а-сурет). Тепе-теңдік күйде тор тарапынан осы дислокацияға әсер етуші қорытқы күш нөлге тең болады.

2.16-сурет

Оны 2.17-суретте кескінделген роликті модельден айқын көруге болады. Роликтердің төменгі қатарлардың ойыс жерлерінде орналасқан үстіңгі қатарында құрылым бұзылған: алдында 6 ролик орналасқан бөлігінде тек 5-ақ ролик орналасқан. Осындай бұзылушылық 1,2,4,5 роликтерді тепе-теңдік қалыпқа орналастыруға тырысатын күштердің пайда болуына алып келеді. 1, 5 және 2,4 роликтерге әсер етуші күштердің шамалары бірдей, ал бағыттары қарама-қарсы. Сондықтан, егер үстіңгі қатардағы роликтер бір-бірімен серпімді пружинамен қосылған болса, онда мен , мен күштер бір-бірін компенсациялайды да, жүйе тепе-теңдік күйде болады.

2.17 - сурет

Осындай жағдай 2.16 б-суретте көрсетілген дислокация кезінде де бақыланады. Дислокация центріне қатысты симметриялы орналасқан жоғары қатардағы атомдарға әсер етуші күштер төменгі қатардағы атомдарға әсер етуші күштерге модуль жағынан тең, бағыттары жағынан қарама-қарсы Сондықтан, бұл күштердің тең әсерлі күші нөлге тең және дислокация тепе-теңдікте тұрады.

2.18-сурет

Бірақ та, дислокацияның кішкене жылжуы болса, онда симметриялы сырғанау жазықтықтарында дислокация центріне қатысты атомдардың орналасулары бұзылады, соның салдарынан дислокация қозғалысын бұзатын күш пайда болады. 2.17 – суреттен бұл күштің шамасы үлкен бола алмайтыны көрініп тұр, себебі 1 және 2 роликтердің жаңа тепе-теңдік күйге орын ауыстыруы 4 және 5 роликтер тарапынан әсер етуші күштер нәтижесінде болады, олар да орнықты күйге орналасуға тырысады. Есептеулер дислокацияны жылжытуға қажетті жанама кернеудің мынаған тең екендігін көрсетеді:

(2.17)

мұндағы -ығысу модулі, -Пуассон коэффициенті, - ығысу бағытында орналасқан атомдардың ара қашықтығы, - көршілес сырғанау жазықтықтарының ара қашықтығы. - критикалық жылжу кернеуінің теориялық мәні.

және деп алсақ, онда тең болады. Бұл тәжірибе жолымен алынған мәніне тең. Сонымен, дислокация теориясы кристалдардың ығысуға беріктігінің теориялық және практикалық мәндері арасындағы қарама-қайшылықты жояды.

Орын ауыстырудың дислокациялық механизмі табиғатта жиі кездеседі. Жекелеп айтқанда жыландар, құрттар және молюскалар осы дислокацияның пайда болуы нәтижесінде қозғала алады. Жаңбыр құртының қозғалысы мойынға жақын жерде созылатын дислокацияның пайда болуынан басталады, ол бүкіл дене арқылы құйрыққа беріледі (2.18 а-сурет), ал көптеген жыландардың қозғалысы құйрығында сығатын дислокацияның пайда болып, оның басқа қарай орын ауыстыру нәтижесінде іске асады (2.18 б-сурет).

Дислокация көздері. Кристалдарды беріктендіру.

Нақты кристалдардағы дислокация балқыма немесе ерітіндіден оны алу процесі кезінде пайда болады. 2.19 а-суретте бір-біріне қарай өсетін екі блоктың шекаралары көрсетілген. Блоктар бір-біріне қатысты қандай да бір кішкене бұрышқа бұрылған. Блоктар өскенде біршама атомдық жазықтықтар бүкіл кристалл арқылы өтпейді және блоктар шекараларында бітеді.

2.19-сурет

Осы орындарда дислокация пайда болады (2.19 б-сурет). Поликристалды үлгіде әртүрлі бағытталған дәндердің өсуі кезінде де осындай сурет пайда болады. Нақты кристалдардағы блоктар шекарасы мен дәндер созындысы өте үлкен, ендеше олардағы дислокация саны да көп болады. Есептеулер жақсы өңделген металдарда дислокация тығыздығы болады. Суықпен өңдегеннен кейін дислокация тығыздығы дейін артады. Бұл дислокацияларда пластикалық деформация кезінде металл жұтқан барлық энергия жинақталады. Деформацияға ұшырамаған кристалдағы дислокация көздері вакансияның жинақталуы болып табылады. 2.20 –суретте вакансияның жинақталуынан пайда болған оң және теріс дислокацияның пайда болуына мысал келтірілген.

2.20-сурет

Сыртқы күштердің әсерінен кристалдағы жылжудың пайда болуы сырғанау жазықтығы бойымен дислокацияның қозғалуын және оның кристалл бетіне шығуын тудырады. Егер жылжу кристалдағы дислокацияның шығуы есебінен ғана болса, онда пластикалық деформация процесі дислокацияның жоғалуына және ол кристалды өте жоғары күйге алып келеді. Бұл тәжірибеге қайшы келеді, ол бойынша деформация дәрежесі артқан сайын тордың бұзылуы кемімейді, ал керісінше артады, ендеше дислокация тығыздығы да артады. Сондықтан, қазіргі уақытта пластикалық деформацияға негізделген дислокация кристалға түсірілген сыртқы күштердің әсерінен жылжу пайда болуы процесінде генерацияланады. Осындай генерациялау механизмін 1950 жылы Франк және Рид ашты. Осы механизмді түсіндіру үшін түтік арқылы сабын көпіршіктерінің пайда болу процесін қарастырайық (2.21 –сурет). Түтік ұшын сабын ерітіндісіне батырғанда онда түтік саңылауын жабатын жұқа қабықшақ пайда болады. Түтік ішіндегі ауаның қысымын ақырындап арттырғанда жұқа қабықшақ 1,2,3,4 стадиялардан өтіп, ұлғаяды.

2.21-сурет 2.22-сурет

Ол жартылай сфера формасына (3 стадия) келгенге дейін, оның күйі орнықты, қысым кемігенде ол өзінің 1 күйіне қайтып келеді. 3 стадиядан кейін көпіршік күйі өзгереді: ол түтік ұшынан бөлініп кеткенге дейін тұрақты қысымда, тіпті біртіндеп кемитін қысымда да өзгеріс бола береді. Бірінші көпіршіктен кейін екінші, одан кейін үшінші және т.б. пайда бола береді.

Енді Франк-Рид көзінің әсерін қарастырайық. 2.22-суретте сырғанау жазықтығында орналасқан сызықтық дислокация көрсетілген. және нүктелері қозғалмайтындай етіп бекітілген және дислокацияның орын ауыстыруына қатыспайды. Осындай бекіту берілген дислокацияның басқа дислокациялармен қиылысқан жерлерінде, қоспа атомдарында және т.б. болуы мүмкін. Сыртқы кернеу әсерінен дислокация сабын көпіршігі сияқты иіледі және қандай да бір уақыт мезетінде жарты шеңбер формасына келеді (2.22 б-сурет). Сабын көпіршігі сияқты дислокацияның иілуі тек қана кернеу үзіліссіз артқанда ғана өтеді, дислокация жартылай шеңбер формасына келгенде, кернеу өзінің максималь шамасына жетеді. Оның ары қарай дамуы өздігінен екі спиральдың пайда болуына алып келеді (2.22 с- сурет), олар нүктесінде тоғысқанда дислокация екіге (2.22 г-сурет) бөлінеді: сыртқы дислокация, ол сыртқы шеңберді қосады (2.22 д-сурет), ішкі дислокация, алғашқы күйге сәйкес келетін күй ( ). Сыртқы дислокация кристалдың сыртқы қабатына дейін өседі және элементар жылжуға алып келеді; ішкі дислокация алғашқы күйге келіп, кернеудің әсерінен қайта иіледі және өседі (жоғарыда айтылған сияқты). Осы процесс берілген кристалдың сырғанау жазықтығының бір бөлігінің екінші бөлігімен салыстырғанда айқын жылжуын тудырып, шексіз қайталана береді.

Кристалдың жылжуға икемділігі ондағы дайын дислокацияның барлығын көрсетеді. Екінші жағынан, пластикалық деформация мен дефектілер саны артқанда кристалдың беріктенетіні белгілі. Бұл дислокациялардың бір-бірімен өзара әсерлесулері және тордың әртүрлі дефектілері олардың тордағы орын ауыстыруларын қиындатады.

Дислокациялардың өзара әсерлесулері. Тордың серпімді өзгерісін тудыратын әрбір дислокация өзінің айналасында әрбір нүктеде белгілі жанама мен нормаль кернеумен сипатталатын күш өрісін құрады. Осы өріске басқа дислокация түссе оларды жақындастыруға немесе тебілістіруге тырысатын күштер пайда болады. Бір жазықтықта пайда болатын аттас дислокациялар бірін-бірі тебеді, ал әр аттастар бірін-бірі тартады. Сондықтан, берілген сырғанау жазықтығында дислокациялар жинақталғанда ығысуға кедергі артады және кристалл беріктенеді.

Тосқауылдарды жеңу. Дислокация сырғанау жазықтығында жанама кернеу әсерінен орын ауыстырады және өзінің жолында қозғалмайтын тосқауыл кездестіреді деп алайық. Мұндай тосқауылдар бір дислокацияның екінші дислокациямен қиылысуы, қоспа атомдары мен басқа дефектілер болуы мүмкін. 2.23-суретте дислокацияның тосқауылды жеңуінің теориялық схемасы көрсетілген.

2.23 – сурет 2.24-сурет

-ға жақындаған сайын (1,2,3 күйлер) дислокация ақырындап иіледі және тосқауылды айналып өтетін тұзақ құрайды, ол тосқауылдар өткен соң тұйықталады және дислокация тағы да түзу сызықты болады.

2.24 – суретте дислокацияның қозғалмайтын кездесуінің нақты суреті келтірілген (қараңғы сызықтар өңдеу (травление) арқылы алынған дислокацияны кескіндейді). Суреттердің ұқсастықтары теориялық схеманың дұрыстығын көрсетеді.

Дислокацияның бөгетті айналуы оның ұзаруы және тордың бұзылуының күрт артуына байланысты, ол қосымша жұмысты қажет етеді. Кристалдағы дефектіні жеңу үшін дислокация жеткілікті дәрежеде кедергіге кездеседі. Дефектілер пайда болғанда кристалдың беріктенуі осыған байланысты. Себебі, пластикалық деформация дәрежесі артқанда кристалдағы дислокация саны да артады, ендеше дислокациялардың қиылысқан жерлеріндегі тосқауылдар саны да артады. Сондықтан, деформация дәрежесінің артуы кристалдың беріктенуін тудырады. Қоспалар атомдары да тура осындай әсер тигізеді: тордың жергілікті бұзылуларын тудырып, олар дислокацияның орын ауыстыруын қиындатады және сол арқылы кристалдың ығысуға кедергісін арттырады. Әсіресе блоктар, дәндер шекаралары және тордағы бөтен қоспалардың да тежеуші әсері күшті болады.

Олар дислокацияның орын ауыстыруына көп кедергі келтіреді және өзін жеңуге өте жоғары кернеуді қажет етеді. Суық деформациялап, қоспа атомдарын енгізіп және құймаларда оқшау кірмелер (закалка, старение) болғандағы беріктендіру құбылысы практика жүзінде кең қолданылады, машина жасау механизмдерінің қасиеттерін арттырады. Осы жолмен кейінгі 40 жыл көлемінде материалдардың беріктілігі шамамен 6-8 есе арттырылды.