книги из ГПНТБ / Троицкий О.А. Радиация и прочность твердых тел

цией происходит в одном каком-нибудь месте, а затем образовавшийся перегиб на линии дислокации путем дви­ ж е н и я его вдоль линии дислокации перетягивает дислока­ цию в новую канавку потенциального'рельефа. По этой причине дислокации, как правило, не лежат в одной ка­ навке потенциального рельефа, а имеют множество пере­ гибов. Боковое'движение перегибов при термической активации требует очень малых напряжений, и такой ме­ ханизм движения дислокаций реализуется для кристал­ лов с высокими барьерами Пайерлса - Набарро, которые имеют узкие дислокации и значительную, зависящую от •температуры компоненту напряжений пластического тече­

обретает взаимодействие дислокаций как между собой,

кристалл деформируется медленно, а температурные ус­ ловия таковы, что легко проходит диффузия атомов. При этом чистое скольжение дислокаций, когда они двигаются в строго определенных плоскостях и направлениях (кон­ сервативное движение), почти не происходит. В процессе переползания дислокации край лишней атомной плоско­ сти может удлиниться или, наоборот, укоротиться, и в ре­ зультате краевая дислокация покинет свою плоскость скольжения и переберется в другую. Укорочение или уд­ линение лишней атомной плоскости происходит в про­ цессе диффузии атомов или пустых мест (вакансий) при взаимодействии их с краем лишней атомной плоскости. Ч а щ е всего в этом процессе участвуют вакансии. Приход вакансий к краю лишней плоскости укорачивает ее. Очевидно, диффузия атомов приводит к противополож­

ному эффекту и присоединение дополнительных атомов . удлинит лишнюю атомную плоскость, т. е. переползание дислокации произойдет в противоположную сторону.

Поскольку процесс диффузии атомов и вакансий тре­ бует термической активации, неконсервативное движение

дислокаций или переползание имеет место при средних л высоких температурах, а т а к ж е требует для своего раз­ вития длительное время. В процессе переползания дисло­ каций край лишней атомной плоскости укорачивается или удлиняется неодновременно на весь очередной ряд ато­

степенное переползание дислокации в другую плоскость, Порог обычно двигается вдоль линии дислокации и по­ степенно перетягивает ее на новую плоскость.

Скорость движения порогов определяется приложен­ ными напряжениями и температурой. Избыточные вакан­ сии при повышении температуры стремятся взаимодей­ ствовать с порогами, что приводит последние в движение.

Переползание дислокаций можно легко проследить на примере так называемых призматических дислокаций, которые образуются, например, при отсутствии в какомто участке решетки куска атомной плоскости. На рис. 17

Рис . 17. Призматическая дислокация.

G2

показана призматическая дислокация. Неконсервативное движение или переползание является единственно воз­ можным способом движения таких дислокации. Д в и ж е ­ ние происходит за счет расширения или сжатия дислока­ ционной петли. Приток вакансий расширяет петлю, а отток, наоборот, ее стягивает.

§ 5. Упругие свойства дислокаций

Вокруг каждой дислокации существует поле упругих напряжений. Это объясняется тем, что лишняя атомная плоскость в случае краевой дислокации сжимает область решетки выше плоскости скольжения и растягивает об­ ласть решетки ниже плоскости скольжения (для положи­ тельной дислокации) .

Вблизи винтовых дислокаций преобладают только сдвиговые компоненты напряжений, а простые растяги­

вектору сдвига. Д л я краевой дислокации максимальные сжимающие напряжения действуют непосредственно вы­

скольжения. Это видно из рис. 12, где схематически пока­ зан изгиб атомных плоскостей вблизи линии дислокации выше и ниже плоскости скольжения. Именно в эти места высоких локальных перенапряжений стремятся попасть одиночные блуждающие по решетке атомы или вакансии. Это стремление связано с тем, что попадание точечных дефектов в такие перенапряженные места приводит к снижению энергии системы — происходит ослабление на­ пряжений сжатия (в случае оседания вакансий) или на­ пряжений растяжения (в случае оседания внедренных атомов) .

Центральная область вокруг линии дислокации диа­ метром примерно 5-М OA называется ядром дислокации-. Одним из замечательных свойств ядра дислокации явля­ ется то, что оно образует своеобразные трубки внутри твердого тела, по которым могут легко диффундировать

а т о м ы . В частности, по таким трубкам могут быстро про­ никать внутрь тела атомы поверхностно-активного ве­ щества.

Таким образом, дислокации несут на себе не только функции перемещений сдвигов в решетке и передачи ме­ ханических напряжений, но и являются своеобразными транспортными каналами дл я диффундирующего вещест­ ва в твердом теле. Следовательно, роль дислокаций в а ж ­ на не только д л я механических свойств кристаллов, но

плоскость,-пересекающую дислокацию. Эта чрезвычайно •большая величина свидетельствует 6 том, что дислока­ ции не могут возникнуть в результате термических акти­ ваций, которые дают большей частью только доли эв. В я д р е дислокации содержится примерно 10—12% энергии дислокации. Остальную часть упругой энергии поглоща­ ю т упругие поля напряжений вокруг дислокации.

Если бы в кристалле к а ж д а я дислокация несла в себе всю «положенную» ей энергию, не затрачивая часть ее на взаимодействие с соседними дислокациями, то в сильно

каций стремятся скомпенсировать друг друга и о б щ а я

энергия дислокаций пропорциональна квадрату вектора Бюргерса . Было замечено, что дислокации охотно всту­ пают друг с другом в реакцию, если в результате возни­ кает новая дислокация с вектором Бюргерса, квадрат которого будет меньше суммы квадратов вектора Б ю р ­ герса двух исходных дислокаций. Это правило квадрата

вектора Бюргерса (правило Франка) позволяет безоши­ бочно определять, возможна ли та или иная дислокаци­ онная реакция.

Комплексы из нескольких дислокации обладают зна­ чительными полями напряжений, поскольку общее поле напряжений комплекса получается суммированием по­ лей напряжении отдельных дислокаций (с некоторой взаимной компенсацией). Протяженность полей напря­ жений комплексов зависит от числа дислокации, величи­ ны их векторов Бюргерса и от взаимной ориентации дислокаций.

§6. Силы, действующие на дислокации

Сдвижением дислокаций связано зарождение и разви­ тие пластической деформации кристаллов. При действии внешних сил на кристалл на каждую индивидуальную дис­ локацию также действует сила, заставляющая ее двигаться вперед. Эта сила определяется как работа, необходимая д л я перемещения единицы дли­ ны дислокации на единич­ ное расстояние. Она равна

F—xb, где т—приложенное внешнее напряжение в b — вектор Бюргерса.

пропорциональна расстоянию между ними. Теоретические расчеты и эксперимент показывают, что ряд краевых дислокаций одного знака находится в стабильном состоя­ нии, если дислокации выстраиваются вертикально друг под другом.

§7. Взаимодействие дислокаций

Вкаждой плоскости скольжения кристалла двигаются свои дислокации. Пересечение плоскостей скольжения приводит к пересечению дислокаций. Помимо этого в кристалле существует целая система дислокаций, кото­ рые возникли при росте кристалла и остаются практиче­ ски неподвижными в процессе пластической деформации. Пересечение этих дислокаций со скользящими дислока­ циями приводит к торможению последних. Торможение

дислокаций происходит т а к ж е при пересечении скользя­ щих дислокаций, когда они двигаются в разных плоскос­ тях скольжения.

дится пробираться сквозь лес других дислокаций, рас­ положенных в плоскостях, перпендикулярных или наклонных к плоскости скольжения.

Если пересекаются две действующие системы сколь­ жения, то плотность «дислокаций леса» в обоих плоскостях резко возрастает. В этом и заключается ме­ ханизм упрочнения кристаллов в процессе пластической деформации. «Дислокации леса» сильно тормозят движе ­ ние скользящих дислокаций и приводят к возрастанию усилий деформации, т. е. к деформационному упрочнению.

Легкость скольжения в том или ином элементе сколь­ жения зависит от способа преодоления движущимися дислокациями препятствий, связанных с «дислокациями леса». Скользящие дислокации должны перерезать «дис-

краевые дислокации должны легко преодолевать «дисло­ кации леса», т. к. пороги на них не влияют на движение дислокаций.

С порогами на винтовых дислокациях дело обстоит сложнее. Они имеют краевую ориентацию и могут сколь­ зить лишь вдоль оси винтовой дислокации, тогда как вин­ товая дислокация может перемещаться в поперечном направлении. В связи с этим винтовая дислокация оказы­ вается заторможенной. Дальнейшее ее продвижение возможно лишь неконсервативным путем за счет термиче­

порог оставляет за собой цепочку вакансий или внедрен­

ходится рой вакансий или внедренных атомов (если, ко­ нечно, температура достаточно низка, чтобы точечные дефекты могли существовать в решетке самостоятельно). Противоположные пороги на дислокациях стремятся со­ единиться друг с другом и исчезнуть. В результате по истечении некоторого времени после окончания пластиче­ ской деформации к а ж д а я дислокация освобождается от большей части приобретенных порогов, а оставшиеся по­ роги, в основном, однотипны и стремятся расположиться на почтительном расстоянии друг от друга, как родствен­ ники, предпочитающие жить отдельно.

При низких температурах, когда мала роль термиче­ ских активаций и дислокации ие имеют возможности скользить консервативным путем в силу наличия порогов, под действием внешних сил происходит выгиб линий дислокаций между соседними порогами. Как у ж е указы­ валось в разделе, посвященном силам, действующим на дислокацию, при этом начинают противоборствовать си­ лы натяжения дислокации с внешним напряжением. При некотором критическом изгибе линии дислокации про­ изойдет отрыв ее от точки закрепления, в качестве кото­ рой выступает порог, и позади порога будет возникать це­ почка вакансий или внедренных атомов при каждом акте перемещения дислокации. Это видно из схемы, приведен-