2.2.2 Дислокации и их движение

Первоначальные представления о дислокациях были введены в 1934 г. умозаключительно с целью устранить несоответствие между наблюдаемой и теоретической прочностью и для того, чтобы представить механизм скольжения в кристалле при пластической деформации. Впоследствии экспериментально обнаружили существование дислокации в металлах независимо от их кристаллического строения, т.е. материалах с ГЦК, ОЦК и ГПУ - решетками. Созданная теория дислокаций получила широкое развитие, т.к. многие свойства материалов - прочность и пластичность, кристаллизация из расплава, фазовые и структурные превращения, характер перехода в сверхпроводящее состояние связываются с наличием и движением дислокаций. Различают следующие виды дислокаций:

краевая,

винтовая,

смешанная.

Краевая дислокация. Такую дислокацию проще всего представить путем введения сдвига в кристаллической решетке. На рис.2.6а , где показан кристалл, в котором под действием напряжения  верхняя часть (над плоскостью АВСD ) сдвинута и

F

а) б)

Рис.2.6. Схема образования чисто краевой дислокации АВ

естественно, АВСD- участок плоскости скольжения, а СD- граница этого участка. Если провести секущую плоскость параллельно плоскости F, т.е. перпендикулярно плоскости скольжения и заметно увеличить этот участок до размеров кристаллической ячейки, то получим схему краевой дислокации, как показано на рис. 2.6, б. Видно, что в результате сдвига под действием напряжения на одно межатомное расстояние в верхней части кристалла оказалось на n межатомных вертикальных плоскостей над линией АD приходится (n-1) под ней. Образовалась одна "лишняя" неполная атомная плоскость, которую называют экстраплоскостью. Область несовершенства кристалла вдоль кромки экстраплоскости называют краевой дислокацией и ее можно представить в виде цилиндра сильно деформированной решетки: верхняя часть (рис. 2.6, б) испытывает гидростатическое сжатие, а нижняя - гидростатическое разрежение. Это и есть ядро. Дислокацию можно рассматривать как область, имеющую протяженный электрический заряд, где верхняя часть положительно заряжена, а нижняя - отрицательно (скопление электронов из-за разряжения ионов).

Мы отмечали, что изменение формы тела при пластической деформации связано со сдвиговым процессом, т.е. движением дислокаций в определенных кристаллографических плоскостях ({111} в ГЦК и {0001} в кристаллах с гексагональной решеткой) с наиболее плотной упаковкой. При начинается процесс скольжения дислокаций как в колоде карт или стопке монет: - на поверхности образуются ступеньки. Плоскость, вдоль которой движется дислокация, называется плоскостью скольжения (плоскость АВСD) при этом происходит перестройка вертикальных атомных плоскостей (рис.2.7) выше и ниже плоскости скольжения. Такое движение дислокации называют скольжением или консервативным движением (движение без переноса массы).

Рис. 2.7. Скольжение краевой дислокации

Отметим, что краевая дислокация может двигаться и в другой плоскости - вдоль экстраплоскости. Если на кромке осаждаются атомы, то плоскость прорастает внутрь кристалла, что приводит к изгибу кристалла (рис.2.8). При растворении экстраплоскости, т.е. исчезновении атомов с ее кромки происходит местное сжатие. Такое движение дислокации сопровождается переносом массы и называется неконсервативным.

Скорость переползания зависит не только от температуры, но и от концентрации точечных дефектов. Массообмен между дислокацией и объемом кристалла определяется миграцией дефектов (вакансий межузельных атомов) и дислокация при этом переползает по частям, прорастая двумя ступеньками (порогами).

В интовая дислокация. Представления о винтовой дислокации ввел в 1939 г. Бюргерс. Представим себе кристалл, в котором сделан надрез как на рис.2.9 и части кристалла сдвинуты относительно друг друга вдоль линии разреза на одно межатомное расстояние и образовавшаяся ступенька (допустим) заканчивается в точке А на поверхности. Если мы, находясь в точке Е, обойдем вокруг точки А один оборот по часовой стрелке, то попадем на другую атомную плоскость на линии СD, т.е. прошли по винтовой линии, где контур ЕАВСD не замкнут на отрезок DЕ. Такое линейное искажение кристалла называется винтовой дислокацией. Различают дислокации правого и левого вращения (условно). Проведем эквивалентный контур по числу периодов решетки (рис.2.9, а , б ), вокруг места винтовой дислокации по неискаженной части А,В,С,D,Е,F, который как видим, не замыкается на АF. Дополнительная линия, замыкающая контур ,называется вектором Бюргерса (в), который всегда параллелен линии дислокации в отличии от краевой, где он перпендикулярен ей. Вектор Бюргерса является мерой искаженности кристаллической решетки, обусловленной присутствием в ней дислокации. Он определяет энергию дислокации, действующую на дислокацию силы, величину связанного с дислокацией сдвига, влияет на подвижность дислокаций. Вектор Бюргерса - главная количественная характеристика дислокации. Он одинаков вдоль всей линии дислокации, т.е. является инвариантом дислокации. При воздействии напряжений вдоль дислокации, последняя начинает перемещаться скольжением параллельно самой себе за счет перестройки атомов решетки внутри ядра дислокации на малые доли периода решетки.