5.2. Скопление дислокаций
Скопление дислокаций может быть следствием работы источника Ф-Р в одной плоскости скольжения. Скопление – неустойчивое образование (как показано выше), стремящееся перейти в более устойчивую конфигурацию, например, в стенку. Преобразование скопления в дислокационную стенку происходит в результате переползания дислокаций в другие плоскости скольжения. Но переползание – термически активируемый процесс, требующий диффузии. Следовательно, дислокационное скопление может существовать долго только при низких температурах, когда диффузионные процессы идут медленно. Скопление является мощным концентратором напряжений и поэтому играет важную роль в пластической деформации и разрушении. Основные свойства дислокационного скопления рассмотрены в разделе 3.8.
5.3. Дислокационная стенка
Д
Рис.
5.5. Граница наклона в кристалле –
дислокационная стенка из краевых
дислокаций:
а
– область распространения напряжений;
б
– расположение лишних атомных
полуплоскостей; в
– представление стенки в виде
эквивалентного клина
Рассмотрим n таких плоскостей. Очевидно, что их действие на кристаллит (на расстояниях, больших d, от плоскости стенки) эквивалентно действию сплошного клина высотой nd и шириной nb (рис. 5.5,в). Следовательно, образование дислокационной стенки приведет к разориентации двух соседних частей кристаллита на угол
.
(5.4)
Для
небольших
напряжений σ≤100
МПа обычно
d≥50b
и φ≤
рад≈1°.
Деформация при таких напряжениях и
высоких температурах может привести к
образованию стенок и появлению слабо
разориентированных
областей внутри зерен. Такие области
называются субзернами
или блоками, а границы между ними (т.е.
дислокационные стенки) – субграницами.
При повышении напряжений плотность дислокаций в стенках растет, d уменьшается и φ может достигать 5÷10°, т.е. субграница превращается в границу зерна. В результате в процессе деформации за счет перестроек дислокаций появляются новые границы, что приводит к уменьшению среднего размера зерна, о чем мы упоминали в главе 4.
В той же главе мы показали, что граница из винтовых дислокаций (см. рис.4.2) является границей кручения, т.е. две соседние области кристаллита, разделенные такой границей, повернуты относительно друг друга на угол φ≈b/d вокруг оси, перпендикулярной границе, где d – расстояние между осями дислокаций в стенке. Поэтому стенки из краевых и винтовых дислокаций часто называют границами наклона и кручения соответственно.
Рассмотрим полубесконечную границу наклона, рис. 5.6. Действие такой границы на тело конечных размеров эквивалентно действию клина, вставленного до оси О. Если вокруг этой оси провести контуры Бюргерса переменного радиуса r, то их невязка будет линейно увеличиваться с ростом r, что приводит к постоянному напряжению
и
.
Д
Рис.
5.6. Представление полубесконечной
границы наклона в виде дисклинации
Наибольшие растягивающие напряжения создаются под клином (вдоль оси О′, О′→О), там, где растягивающие напряжения от всех дислокаций стенки суммируются. Следовательно, дислокационные стенки стремятся создавать в теле замкнутые системы без обрывов, ограничивая субзерна со всех сторон. Можно так подобрать полубесконечные дислокационные стенки, чтобы они вместе не создавали бы дальнодействующего поля напряжений (рис. 5.7,а). Но даже если одиночный тройной стык I не удовлетворяет этому условию, то в системе малых блоков может найтись другой стык II, создающий напряжения противоположного знака (рис. 5.7,б). Система в целом будет создавать напряжения, затухающие на больших расстояниях и эквивалентные напряжениям от дисклинационного диполя (рис. 5.7,б).
Итак, отметим следующее:
1. Дислокационная стенка является высокотемпературным образованием с низкой энергией.
2. Оборванная дислокационная стенка создает большие локальные напряжения. Поэтому отдельные стенки обычно выстраиваются в систему, образуя блоки (субзерна), ограниченные со всех сторон дислокационными стенками и слабо разориентированные друг относительно друга.
Сформулируем отличия дислокационного скопления и дислокационной стенки.
1. Скопление – кинетическое образование, полученное в результате испускания ряда дислокаций источником в одной плоскости или их размножения в ней, стенка – результат термоактивированного процесса переползания дислокаций.
2. Скопление обладает наибольшей, а стенка – наименьшей энергиями из всех дислокационных конфигураций. Поэтому стенка стабильна, а скопление – нет.
3. Скопление низко-, а стенка – высокотемпературные конфигурации.
Рис. 5.7. Стыки дислокационных границ; а– тройной стык;б– конечная стенка, эквивалентная дисклинационному диполю; φ –углы разориентации блоков
Дислокационные скопление и стенка имеют общие черты.
1. Положение дислокаций, как в скоплении, так и в стенке жестко задано взаимодействиями с другими дислокациями группы за счет дальнодействующих напряжений. Смещение какой-либо одной дислокации из ее положения равновесия невозможно: за счет дальнодействия появляется очень большая (по сравнению с внешним напряжением) возвращающая сила.
Если вся группа (скопление или стенка) дислокаций движется как целое, то торможение только одной какой-либо дислокации группы приводит к одинаковому эффекту – возрастанию локальных напряжений, толкающих данную дислокацию вместе со всеми другими дислокациями группы.
3. Способность создавать большие локальные напряжения при торможении всей группы дислокаций или ее части приводит к возможности зарождения микротрещин.
Итак, подвижность дислокаций в большой группе, в которой дислокации связаны дальнодействующими напряжениями, определяется не столько индивидуальными свойствами отдельных дислокаций, сколько свойствами всей группы. Такие свойства можно назвать коллективными свойствами систем дислокаций. Роль коллективных свойств должна быть тем большей, чем больше дислокаций входят в рассматриваемую систему и чем меньше расстояние между ними.