1.5.1. Понятие о дислокациях и других дефектах кристаллической решетки

Кристаллическая решетка реального металла не является геометрически идеальной. В ее узлах нередко отсутствуют атомы, а в зернах очень часто между полными кристаллографическими плоскостями, идущими от границы до границы зерна, находятся так называемые экстраплоскости, протяжен­ность которых ограничивается только частью размера зерна. Существуют и другие Дефекты, как правило, снижающие прочность металла.

Рассмотрим наиболее характерные дефекты кристаллической решетки металлов, известные под названием точечных и линейных. К точечным дефектам (соизмеримым с размерами атомов) относятся вакансии и внедрен­ные атомы. Вакансии — это «пустые» узлы кристаллической решетки, т. е. места, где по той или иной причине отсутствуют атомы (рис. 1.4, а).

Атомы внедрения — это атомы, находящиеся не в узлах кристалличе­ской решетки, а в ее междоузлиях. Ими могут быть атомы данного или примесного элемента (рис. 1.4, б, в).

Наиболее распространенными и очень важными с точки зрения формирования прочностных свойств металлов являются дефекты, имеющие протя­женность только в одном направлении, или линейные дефекты. Их принято называть дислокациями. Образуются дислокации в результате локальных или местных смещений кристаллографических плоскостей, происходящих в кристаллической решетке зерен на различных технологических этапах их (зерен) формирования. Наиболее распространенной и характерной разновидностью дислокаций является краевая дислокация (рис. 1.5). Сформировавшейся в результате предшествующих локальных сдвиговых процессов краевой дисло­кацией является нижняя граница (край) изображенной на рис. 1.5 как бы лишней, не имеющей продолжения полуплоскости АВ, именуемой экстраплоскостью. Линию атомов нижней границы экстраплоскости принято называть дислокацией. На рис. 1.5 она уходит за плоскость чертежа. Дислокацию обозначают знаком или (экстраплоскости в верхней или нижней части зерна – положительная или отрицательная).

Вектор Бюргерса. Одним из параметров, характеризующих поведение деформации, является вектор Бюргерса. Он показывает степень искажения кристаллической решетки вокруг дислокации. Упругая энергия вокруг дислокации пропорциональна квадрату вектора Бюргерса. Чтобы определить вектор Бюргерса, надо вокруг дислокации построить контур Бюргерса (рис. 1.6). Протяженность сторон контура выбирается произвольно. Например, контур ABCD вокруг краевой дислокации 1 по вертикали содержит четыре параметра решетки, по горизонтали — над дислокацией тоже четыре параметра, а под ней — три. Отрезок АЕ, по модулю равный параметру ре­шетки, принято считать вектором Бюргерса. Он перпендикулярен линии дислокации.

Еще в 1940 г. механизм генерирования (размножения) дислокаций был предсказан Е. И. Френкелем, и только в 1950 г. он был обоснован и разработан одновременно Франком и Ридом.

Схема работы источника Франка—Рида представлена на рис. 1.7. Закрепленная между точками А и В линия дислокации совпадает с плоскостью рис. 1.7, а. Закрепление может быть осуществлено при пересечении с други­ми дислокациями, чужеродными атомами и в других случаях.

По мере возрастания напряжения отрезок дислокации выгибается до полуокружности (рис. 1.7, б). При дальнейшем росте т вокруг точек А и В образуются спирали, расширение которых приводит к их смыканию и возникновению внешней замкнутой дислокационной петли и новой дислокации, защемленной между точками А и В (рис. 1.7, в, г, д). При дальнейшем росте напряжения т совершается новый цикл.

Винтовая дислокация. Одной из разновидностей линейных дефектов кристаллической решетки является винтовая дислокация (рис. 1.8). Она формируется и перемещается при сдвиге одной часта кристалла относительно другой по какой-нибудь плоскости под действием внешних сдвиговых (касательных) сил P (перемещение дислокации , рис. 1.8). На схеме сдвиг распространился от переднего края кристалла до линии , параллельной силам . При этом правый край кристалла смещается вниз на параметр решетки. При дальнейшем действии этих сил продолжит смещение к задней стенке - .

О названии дислокации. Вокруг текущих положений (рис. 1.8, линия АВ) кристаллографические атомные плоскости-поверхности оказываются изо­гнутыми. Если проследить ход этих плоскостей от левой части кристалла к правой вокруг АВ сверху вниз, то окажется, что все они, т. е. атомные слои-плоскости, как бы представляют одну винтовую поверхность, закрученную вокруг АВ по часовой стрелке в данном случае. Сама линия АВ, вокруг которой формируются геометрические и энергетические искажения в кристаллической решетке, и является винтовой дислокацией.

На прочностные свойства металлов оказывают влияние и так называе­мые поверхностные дефекты кристаллической решетки. Ими являются криволинейные поверхности, ограничивающие зерна металла, а также плоские поверхности, разделяющие блоки (субзерна), из которых состоят зерна ме­талла (рис. 1.9). Ориентация кристаллографических плоскостей в соседних зернах иная, при этом угол разориентировки может составлять десятки гра­дусов. Угол разориентировки в соседних субзернах очень мал и, как правило, не превышает нескольких градусов (рис. 1.9, угол ).