Линейные дефекты

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации (лат. dislocation — смещение). Теория дислокаций была впервые применена в середине тридцатых годов ХХ века физиками Орованом, Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристаллических тел. Ее использование позволило объяснить природу прочности и пластичности металлов. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.

На рис. 1.6 приведена схема участка кристаллической решетки с одной «лишней» атомной полуплоскостью, т. е. краевой дислокацией. Линейная атомная полуплоскость PQQ'Р' называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости — линией дислокации. Если экстра­плоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком «», если в нижней — то отрицательной и обозначают знаком «–». Различие между дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную. Знак дислокации позволяет оценить результат их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются.

Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис. 1.7).

Винтовые дислокации могут быть по­лучены путем частичного сдвига атомных слоев по плоскости Q, кото­рый нарушает параллельность атомных слоев. Кристалл как бы закру­чивается винтом вокруг линии EF. Линия EF является линией дисло­кации. Она отделяет ту часть плоскости скольжения, где сдвиг уже завершился, от той части, где сдвиг еще не происходил. Винтовая дисло­кация, образованная вращением по часовой стрелке, называется пра­вой, а против часовой стрелки — левой.

Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристал­лическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряже­ний: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже растянута.

Рис. 1.6. Краевая дислокация	Рис. 1.7. Винтовая дислокация

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дисло­каций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций r обычно понимают суммарную длину дислокаций S l, приходящуюся на еди­ницу объема V кристалла: r = S l/V. Таким образом, размерность плотно­сти дислокаций r: см/см³, или см^–2. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 10⁶–10³ см^–2, после холодной деформации она увеличивается до 10¹¹–10¹² см^–2, что соответствует примерно 1 млн ки­лометров дислокаций в 1 см³.

Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхож­дение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теорети­ческая прочность должна быть пропорциональна произведению сил меж­атомной связи на число атомов в сечении кристалла.

Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относительно другой оказалось на 2–3 порядка выше фактически затрачиваемого при пластической деформации металла. Так, теоретическая прочность железа составляет около 13 000 МПа, а фактическая — всего 250 МПа.

Такое расхождение теоретической и фактической прочности объясняет­ся тем, что деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомных плоскостей, а путем постепенного перемещения дислока­ций. Влияние дислокаций на процесс пластической деформации на примере краевых дислокаций показано на рис. 1.8. Пластический сдвиг является следствием постепенного перемещения дислокаций в плоскости сдвига. Распространение скольжения по плоскости скольжения происходит после­довательно. Каждый элементарный акт перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной вертикальной атомной плоскости. Для перемещения дислокаций требуется значительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной части кристалла отно­сительно другой в плоскости сдвига. При движении дислокации вдоль на­правления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней его частей лишь на одно межатомное расстояние. В результате переме­щения дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает. На по­верхности остается ступенька скольжения.

В лекции о роли дислокаций Орован в качестве аналогии движения дислокаций приводил примеры перемещения таких представителей животного мира, как дождевой червь или змея. Они скользят по поверхности земли, последовательно перемещая участки своего тела. При этом участки, через которые прошла волна возмущения, восстанавливаютисходную форму. В случае пластического сдвига позади переместившейся дислокации атомная структура верхних и нижних слоев восстанавливает свою исход­ную конфигурацию.

Рис. 1.8. Схема пластической деформации путем последовательного перемещения дислокации в простой кубической решетке: а) исходное состояние краевой дислокации (^); б) контур Бюргерса вокруг дислокации; в) контур Бюргерса для неискаженной решетки после скольжения

Другой аналогией движения дислокаций является перемещение складки на ковре. Последовательное перемещение складки потребует значительно меньше усилий, чем перемещение всего ковра по поверхности пола, хотя в обоих случаях будет достигнут один и тот же результат — ковер переместится на одинаковое расстояние (рис. 1.9).

Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже проч­ность металла, тем легче идет пластическая деформация.

Пластическая деформация кристаллических тел связана с количеством дислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимодействия с де­фектами решетки и т. д. Характер связи между атомами влияет на пластич­ность кристаллов. Так, в неметаллах с их жесткими направленными связя­ми дислокации очень узкие, они требуют больших напряжений для старта — в 10³ раз больших, чем для металлов. В результате хрупкое разрушение в неметаллах наступает раньше, чем сдвиг.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов явля­ется наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов (рис. 1.10).

Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных бездислокационных ни­тевидных кристаллов (так называемых «усов»), прочность которых близка к теоретической.

При ограниченной плотности дислокаций и других искажений кристал­лической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дис­локаций находится в объеме металла.

С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемешаться, происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д., что позволило Дж. Гордону образно назвать их взаимодействие в процессе пластической деформации «интимной жизнью дислокаций». С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затруд­ненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой на рис. 1.11.

Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся ато­мы растворенных в металле примесей и леги­рующих элементов, частицы выделений второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике пре­пятствие движению дислокаций, т. е. упрочнение, создается введением дру­гих элементов (легирование), наклепом, термической или термо­механической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.

Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.