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

внедренных атомов требуются более высокие скалываю ­ щие напряжения, чем для образования вакансий. Таким

между дислокационными сегментами делается слишком велико и невозможно взаимодействие между сегментами, каждый из них начинает вести себя самостоятельно как источник дислокаций. Любое движение дислокации, выво­ дящее ее из своей плоскости скольжения, приводит к об­

Позади движущихся дислокаций с порогами часто возникают небольшие призматические петли дислокаций. Механизм их возникновения связан либо с объединением цепочек вакансий за порогами, либо с образованием так называемых дислокационных диполей по схеме, показан­ ной на рис. 22.

Пересекая «дислокации леса», скользящая дислока­ ция взаимодействует с полями упругих напряжений препятствий, притягиваясь или отталкиваясь от них в

на малом расстоянии расположиться параллельно друг другу, чтобы понизилась энергия взаимодействия. После пересечения дислокаций требуется опять приложить неко­ торое усилие д л я того, чтобы дислокации разошлись.

§8. Размножение дислокаций

Втщательно отожженных кристаллах плотность дис­ локаций не превышает 10 4 — 10 6 [ам - 2 ] . Плотность дисло­ каций стремительно возрастает после приложения к кристаллу нагрузки и начала его пластического дефор­ мирования. Поскольку до начала пластической дефор­ мации было примерно 104 —106 [слг~2 ] дислокаций, а после деформации может появиться 10й —\01 2 [см~2 ] дислокаций, то напрашивается вывод, что во время деформации про­ исходит размножение дислокаций.

Различают гомогенное, гетерогенное размножение дислокаций, а т а к ж е размножение с помощью специаль­ ных источников и в процессе многократного поперечного скольжения . Первый из названных случаев, пожалуй, са­ мый редкий. Под гомогенным зарождением дислокаций понимается возникновение их в областях решетки, сво­ бодных от каких-либо дефектов. Д л я этого требуются чрезвычайно большие напряжения и именно экстремаль-

ность процесса является причиной малой распространен­ ности подобного способа размножения дислокаций. Го­ раздо легче и чаще дислокации зарождаются гетероген­ ным путем на каких-либо концентраторах напряжений. В качестве концентраторов напряжений могут выступать инородные включення, трещины, границы зереи и дефек­ ты на поверхности кристалла. К специальным источни­ кам, в которых могут рождаться дислокации, относятся так называемые источники Франка - Рида, схема действия которых показана на рис. 23.

повторяется и таким путем возникает множество дисло­ кационных петель.

При многократном переползании винтовых'дислока ­ ций источниками новых дислокаций служат сегменты между прочно закрепленными порогами краевой ориен-

тацни. Дислокационные петли, рожденные таким путем* могут расширяться и размножаться, а скольжение будет захватывать все новые и новые плоскости.

§ 9. Упрочнение в процессе пластической деформации

Пластическая деформация растягиваемых или сжимае­ мых кристаллов начинается с того, что на диаграммах де­ формации появляется характерный зуб текучести или пере­ лом. Напряжения, отвечающие зубу текучести или резкому перелому диаграммы деформации, пересчитанные на дейст­ вующие плоскости скольжения, дают величину, так называе­ мого, критического скалывающего напряжения. Критичес­ кие скалывающие напряжения тК р являются основным физи­ ческим параметром прочности твердых тел. При достижении напряжениями критического уровня, отвечающего т к р , про­ исходит старт огромного числа дислокаций, определяющих зарождение и развитие пластической деформации кристал­ лов.

Следует отметить, что движение дислокаций начинается

области образец деформируется также как упругое тело, то> происходит наложение микропластической деформации на упругую деформацию, и это обстоятельство приводит к тому, что наклон диаграмм в начальных участках уменьшается. По указанным причинам об этой области деформации при­

без существенного увеличения деформирующего усилия-. Существует ряд кристаллов, например, кристаллов оло­ ва, для которых в области легкого скольжения происхо-

д ит даже падение усилий деформации, т. е. имеет место

.деформационное разупрочнение. Область легкого сколь­ жения может иметь различную протяженность. Обычно •она велика для кристаллов с одной ярко выраженной плоскостью скольжения, на­ пример, кристаллов гексаго­ нальных металлов, и мала

скольжения начинает взаимодействовать между собой и •блокировать друг друга. В этом, частично, заключается процесс деформационного упрочнения.

Дислокации образуют поля напряжений в решетке, которые контролируют практически весь объем внутри решетки. Точечные дефекты, образующиеся при облуче­ нии или термофлуктуационным путем, имеют т а к ж е свои поля напряжений, которые взаимодействуют с полями •напряжений дислокаций и понижают энергии искажений решетки. Таким образом, точечные дефекты и дислока­ ции образуют прочный ансамбль, разрушить который можно, только приложив достаточно большие усилия. В этом заключается причина упрочнения кристалла за •счет появления в нем точечных дефектов. Если дислока­

т я ж е н ия образца с постоянной скоростью первоначальные небольшие напряжения не могут заставить существую­ щие дислокации двигаться быстро, поэтому напряжения возрастают. Это приводит к размножению и ускорению дислокаций. В результате напряжение перестает увели­ чиваться, т. к. деформация кристалла, обусловленная движением дислокаций, становится равной скорости де­ формирования, задаваемой испытательной машиной. В какой-то момент происходит сдвиг равновесия в дру­ гую сторону и дислокаций оказывается слишком много, поэтому напряжение упадет до уровня, когда движение дислокаций замедлится и скорость деформации кристал­

чальная плотность дислокаций была мала, и они бы не

После облучения кристаллической решетки дислокации оказываются сильно блокированы и поэтому условия для появления зуба текучести становятся чрезвычайно бла­ гоприятными.

Упрочнение кристаллов во время деформации может происходить одновременно по нескольким механизмам. Одним из основных является упрочнение за счет упруго­ го взаимодействия полей напряжений отдельных дисло­

щие пластическую деформацию кристалла, упруго взаи­ модействуют как с дислокациями в своих плоскостях скольжения, не приближаясь к ним вплотную из-за своей одноименности, так и с «дислокациями леса», которые пересекают данную плоскость скольжения. Наиболее сильное упрочнение происходит, когда начинают упруго взаимодействовать не отдельные дислокации, а скопле­ ния дислокаций. Обычно это происходит после окончания стадии легкого скольжения, когда в объеме кристалла сформируется достаточное число скоплений дислокаций.

можных плоскостей скольжения, тем меньше упрочнение. Если, например, в гранецентрнрованном кубическом кри­ сталле скольжение начинается одновременно в двух си­ стемах, то дислокации разных плоскостей скольжения начинают взаимодействовать между собой и образуют так называемые сидячие дислокации Ломера - Коттрелла . Такие сидячие дислокации в конце концов могут полно­ стью заблокировать скольжение в отдельных системах скольжения, и это приведет к сильному упрочнению кри­ сталла.

Около сидячих дислокации могут образовываться мощные скопления дислокаций, состоящие из десятков дислокации, суммарные упругие поля которых эквива­ лентны полям гипотетических гигантских дислокаций. Поскольку напряжения, которые необходимо приложить для продвижения одной дислокации мимо другой парал ­ лельной плоскости скольжения, пропорционально вели­ чине ее вектора Бюргерса и обратно пропорционально расстоянию между ними, то гигантские дислокации тер­

Позади движущихся винтовых дислокаций обычно остаются дислокационные сплетения, состоящие из ди­ полей краевых дислокаций и петель. Они могут быть причиной деформационного упрочнения, поскольку об­ разуются в местах, где началось скольжение, и препят­ ствуют движению остальных дислокаций. Наконец, деформационное упрочнение может быть связано с дви­

дислокацией. Последующие дислокации могут оказаться заблокированными точечными дефектами.

Скорость деформационного упрочнения тесно связа­ на с изменением плотности дислокаций во время дефор­ мации. Наименьшая скорость упрочнения наблюдается в кристаллах с простым скольжением, как, например, в гексагональных металлах по плоскостям базиса. В этом случае большинство дислокаций свободно скользит сквозь кристалл, не создавая и не встречая на пути больших барьеров. Можно сказать, что дислокации, как ток в проводнике, проходят сквозь кристалл, образуясь примерно в таком ж е количестве, в каком сколько их

Вблизи дефекта меняется частота колебаний атомов и имеет место «нониусное» смещение атомов. В случае внедренного атома появляется сгущение, и частоты ко­ лебаний вокруг дефекта повышаются, поэтому соответ­ ствующий «локальный» вклад в энтропию будет отрица­ тельным. Наоборот, для вакансии частоты близлежащих атомов понижаются, и соответствующий вклад в энтро­ пию должен быть положительным.

§ 2. Энергия образования точечных дефектов

Если считать, что вокруг вакансии отсутствует пере­ распределение атомов и электронов, то энергия образо ­ вания вакансии равна энергии решетки кристалла в рас­

Энергию образования вакансий можно связывать так­ ж е с удельной поверхностной свободной энергией в пред­ положении, что образование вакансии эквивалентно соз­ данию новой поверхности с площадью, равной площади одного атомного объема, с учетом уменьшения поверх­ ностной энергии за счет некоторого сжатия вокруг дефек­ та. Этот метод дает завышенные величины в 1,5—2 раза и может быть применен только для грубой оценки энер­ гии образования дефектов в различных металлах.

§ 3. Искажения решетки вокруг точечных дефектов

К а к указывалось, вблизи точечных дефектов имеет место некоторое смещение атомов, находящихся в узлах решетки. Б л и ж а й ш и е к вакансии атомы релаксируют в сторону вакансии приблизительно на 25%, а релаксация соседей межузельного атома составляет в обратную сто­ рону 10%. Искажения при удалении от дефекта убывают немонотонно. Так, во второй координационной сфере во­ круг вакансии атомы смещаются не по направлению к вакансии, а, как ни удивительно, от нее.

Поскольку сжимаемость вакансий существенно боль­ ше сжимаемости атомов, действующее на кристалл все­ стороннее внутреннее давление приводит к возникнове­ нию упругих напряжений на вакансиях, что определяет эффекты их взаимодействия друг с другом и с примес­ ными атомами.

Интересно, что под влиянием моновакансий может происходить сжатие базисной плоскости в графите. Ос­ новной причиной этого явления считают связанное с при­ сутствием вакансий изменение междуатомных связей а слоях графита.

§ 4. Образование точечных дефектов при пластической деформации

Существует несколько механизмов, по которым в процессе пластической деформации металла образуются точечные дефекты. Если движущиеся навстречу друг другу в соседних атомных плоскостях положительная п отрицательная дислокации встречаются и при этом об­ разуется полная атомная плоскость, то происходит анни­ гиляция дислокаций без остатка. Это было показано на

зуется цепочка вакансий. Наконец, при встрече дисло­

Теоретические оценки показывают, что атомная доля точечных дефектов, образованных по указанным меха­ низмам, пропорциональна величине пластической дефор ­ мации образца с коэффициентом пропорциональности 10-4 -н10-5 .

Цепочки вакансий, полученные при встрече дислока­ ций, могут распадаться. Так, в базисной плоскости гек­ сагональных металлов цепочка вакансий < 1 0 1 0 > мо-