2. Дислокации и пути повышения прочности твердых тел

Дислокации относятся к линейным дефектам решетки, т.е. к несовершенствам, охватывающим в кристалле область, протяженность которой в одном направлении значительно превышает размер атомов или ионов. Дислокации представляют собой чрезвычайно важный вид кристаллических дефектов, определяющих механические свойства.

Известны два типа дислокаций – краевые или линейные и винтовые. Но в реальных кристаллах могут возникать промежуточные или смешанные дислокации.

Одним из основных понятий в теории дислокации является понятие линии дислокации. Линией дислокации называется та выраженная линия в кристалле, вдоль которой концентрируются максимальные искажения решетки. Линия дислокации может быть как прямой, так и иметь перегибы, ступени и т.д. Линия дислокации никогда не заканчивается в кристалле, а выходит на его поверхность.

Рис. 2.11. Схема образования краевой дислокации

Краевая дислокация представляет собой лишнюю атомную полуплоскость, которая проходит не через весь кристалл, а только через его часть (рис. 2.11). Атомные плоскости, составляющие кристаллическую решетку, показаны проекциями линий, параллельных друг другу всюду, кроме той области, где внедряется добавочная полуплоскость. В центре этой искаженной области через весь кристалл (через точку F) перпендикулярно плоскости рисунка проходит линия дислокации.

При наличии таких дислокаций облегчается деформация в кристаллах, т.е. под действием приложенного напряжения сдвига добавочная полуплоскость легко перемещается на одно межплоскостное расстояние в направлении приложенного напряжения. Если этот процесс продолжать и дальше, то в конце концов добавочная полуплоскость выйдет на поверхность кристалла. Процесс движения дислокации называется скольжением, а выходы полуплоскостей на противоположные стороны кристалла приводят к появлению рельефа или следов скольжения.

Винтовая дислокация возникает при сдвиге части кристалла на одно или несколько межатомных расстояния (рис. 2.12). При наличии винтовой дислокации атомные плоскости решетки превращаются в подобие спиралевидной винтовой поверхности. Вокруг оси винтовой дислокации располагается область наиболее искаженного участка кристаллической решетки. Линия дислокации проходит в этом случае через точку F параллельно направлению сдвига.

Рис. 2.12. Схема образования винтовой дислокации

Одним из свойств, решающим образом зависящим от наличия дислокаций, является прочность кристаллических тел. Зная структуру и энергию химических связей между атомами в кристалле, можно рассчитать его теоретическую прочность, т.е. прочность идеального кристалла, не имеющего дефектов. Оказалось, что реальная прочность монокристаллов в 10² - 10⁴ раз меньше теоретической. В настоящее время доказано, что причина пониженной прочности реальных кристаллов заключается в наличии в них легко подвижных дефектов – дислокаций. С поведением дислокаций связано и повышение пластичности материалов с увеличением температуры, которая способствует уменьшению напряжений, необходимых для движения дислокации.

Изменяя тем или иным образом число дислокаций, можно влиять на прочность кристаллических тел.

Наличие даже небольшого числа дислокаций в металлах может снижать их прочность по сравнению с теоретической на несколько порядков. Поэтому одним из путей повышения прочности кристаллических веществ является получение кристаллов с почти идеально правильным бездефектным строением. Это направление осуществлено при получении так называемых нитевидных кристаллов, или “усов”. Прочность их приближается к наиболее высокой, теоретически возможной и достигает сотен тысяч килограммов на 1 см². Нитевидные кристаллы тугоплавких оксидов привлекают внимание в связи с перспективой получения с их помощью особо прочных нехрупких материалов.

Получают нитевидные кристаллы различными методами: кристаллизацией из газообразной фазы, из расплавов, растворов, в результате химического разложения некоторых соединений и окисления металлов, при электролизе и непосредственно из массивных кристаллов раскалыванием их по плоскостям спайности.

Размеры нитевидных кристаллов находятся обычно в пределах от 2 до 10 мм в длину и от 0,05 до 5 мкм в толщину.

Такие кристаллы обладают исключительно высокими механическими свойствами. Так, у нитевидных кристаллов железа прочность составляет 1,34 ^. 10⁴ МПа, в то время как у обычного железа – 3 ^. 10² МПа. Прочность их близка к теоретической. Нитевидные кристаллы практически не содержат дислокаций и других дефектов, имеют совершенную поверхность без следов шероховатости, обладают предельно высокой чистотой.

Из-за отсутствия дислокаций и других дефектов в нитевидных кристаллах сдвиг по плоскостям скольжения может протекать лишь в форме жесткого сдвига, при котором преодолеваются связи одновременно у всех атомов плоскости скольжения.

Даже при повышенных температурах кристаллы без дислокаций не испытывают пластических деформаций.

В настоящее время получены нитевидные кристаллы самых разнообразных веществ: металлов (Fe, Cu, Zn, Al, W, Ti и др.), сплавов, галоидных солей, графита, сульфидов, карборунда, оксидов MgO, BeO, Al₂O₃, SiO₂, Nb₂O₅, ZnO и др. Например, получены нитевидные кристаллы MgO диаметром 1-3 мкм с пределом прочности, приближающимся к 25000 МПа. Для практического применения “усов” чрезвычайно важно получить длинные, но очень тонкие кристаллы. Оксидные нитевидные кристаллы по длине не превышают 2,5-3 см, у NaCl – до 20 см, а диаметр их не более 2-3 мкм. Предел текучести у нитевидных кристаллов обратно пропорционален их диаметру.

Получение сверхпрочных нитевидных кристаллов имеет большое промышленное значение. Армирование этими кристаллами других материалов позволяет получить высокопрочные конструкционные материалы, обладающие при этом жаропрочностью и химической стойкостью.

В настоящее время получены высокопрочные композиционные материалы, состоящие из матрицы, наполненной нитевидными кристаллами. В качестве матрицы используют нержавеющую сталь, никель, титан, оксид алюминия и др. материалы. Матрицы наполняют нитями вольфрама, “усами” из оксида алюминия и т.д.

Второй путь – максимальное искажение внутренней структуры кристалла введением в него примесей, выделением дисперсных фаз, сильным пластическим деформированием и т.д. Такие дефекты затрудняют перемещение дислокаций и распространение трещин и тем самым упрочняют материал. При получении прочных и сверхпрочных материалов по этому методу получена прочность порядка 4000 МПа. К упрочнению кристаллов ведут пластическая деформация и рост дефектов. Это происходит в результате взаимодействия дислокаций между собой и с разными дефектами решетки, что вызывает искажение решетки, затрудняет перемещение дислокаций и требует затраты дополнительных усилий для сдвига.

Однако, методы, основанные на торможении движения дислокаций, повышая прочность кристаллических тел, не позволяют приближаться к теоретической прочности. Наиболее эффективными остаются методы получения бездефектных кристаллов.

Стекловидные материалы также чувствительны к внутренней структуре. Свежевытянутые при высокой температуре стеклянные нити, практически не содержащие дефектов, обладают прочностью, примерно в 100 раз превышающей прочность обычного стекла.