2.4.4. Смешанные дислокации и их перемещение
Поскольку дислокация является границей зоны сдвига, то она не может обрываться внутри кристалла. Дислокация в состоянии лишь выходить своими концами на поверхность, разветвляться на несколько дислокаций, образующих узел, или формировать замкнутое кольцо, полностью расположенное в кристалле (рис.41). Учитывая, что дислокационная линия в общем случае может иметь произвольную кривизну, то вводится понятие о смешанной дислокации, имеющей различную долю краевой и винтовой компонент.
а) б) в)
Рис.
41. Дислокация выходит на поверхность
кристалла (а), разветвляется (б) или
образует замкнутую петлю (в)
Любую произвольную линию дислокации можно разделить на краевую и винтовую составляющие (рис.42). Если АВ - линия дислокации, которая составляет угол 9 со своим вектором Бюргерса b , то она может рассматриваться как сумма двух дислокаций с векторами Бюргерса bi и b2 , причем bi = bsin9 (краевая компонента) и b2 = bcos9 (винтовая компонента). Вектор Бюргерса дислокационной линии АВ является суммой векторов Бюргерса составляющих дислокаций b = bi + b2 .
Рис.
42. Разложение вектора Бюргерса смешанной
дислокации
b
на краевую
bi
и винтовую
b2
компоненты
В результате приложения к кристаллу внешних напряжений появляется сила F , действующая на дислокацию внутри кристалла. Показано, что она равна произведению напряжения сдвига т на вектор Бюргерса b: F = тb . Эта сила действует вдоль плоскости скольжения нормально линии дислокации, какой бы сложной по форме она не была. При этом она ориентирована в кристалле в том направлении, куда дислокация еще не пришла.
Напряжение движения дислокации. При движении дислокации в плоскости скольжения силы межатомного взаимодействия, направленные поперек этой плоскости, преодолеваются путем осуществления ряда локальных перемещений, определяемых периодическим полем напряжений решетки. При этом критическое напряжение, необходимое для движения дислокации, определяется выражением
^
2па ^ v
(1
-M)b
у
2G
Ткр
=- eXP
1
- ц
(8)
Здесь ткр - напряжение, необходимое для движения единичной краевой дислокации и известное под названием напряжения или барьера Пайерлса (это напряжение характеризует сопротивление перемещению дислокации со стороны самой решетки); G - модуль сдвига; ц - коэффициент Пуассона; а - межплоскостное расстояние; b - расстояние между атомами в направлении сдвига.
Если принять ц = 0,35 и а = b , то ткр= 2-10"4 G. Данное выражение в значительной мере близко к наблюдаемым значениям в отличие от напряжения, рассчитанного при помощи модели жесткого сдвига. Напряжение сдвига ткр изменяется экспоненциально в зависимости от отношения а/b . Чем больше параметр а, т.е. чем больше межплоскостное расстояние, тем в большей мере будут ослаблены силы
связи между атомами сопряженных плоскостей. Поэтому напряжение сдвига в этом случае окажется меньшим по величине. С другой стороны, если сдвиг в плоскости скольжения идет по направлению плотной упаковки атомов и, следовательно, b мало, то скольжение также облегчается. Таким образом, движение дислокации в кристалле является в определенном смысле избирательным и оно наиболее легко идет по плоскостям и направлениям плотнейшей упаковки.
В показатель степени выражения (8) входит важная характеристика - ширина дислокации ю = a /(1 - ц ), следовательно,
Под шириной дислокации принято понимать ширину области в плоскости скольжения и в направлении скольжения, в которой смещение атомов из равновесных положений превышает половину максимальных смещений атомов. Ширина дислокации дает грубую оценку области ядра, внутри которой линейная теория упругости оказывается неприменимой. Обычно ширину дислокации принимают равной от 2 до 10 межатомных расстояний. Чем шире дислокация, тем выше ее подвижность. Ширина дислокации зависит от природы сил межатомного сцепления. Доказано, что в ковалентных кристаллах при направленных межатомных связях дислокации должны быть узкими. При ненаправленных связях (например, в металлах) дислокации оказываются более широкими. Тем самым подвижность дислокаций в металлах выше, чем в ковалентных кристаллах.