Дефекты строения кристаллов (стр. 2 )

Расчеты с использованием более точных приближений для меж­атомных взаимодействий дают величину σт ≈ G / 30. Величину σт назы­вают теоретической прочностью на сдвиг.

Наблюдаемые значения предела прочности наиболее мягких кри­сталлов находятся в интервале от 10-5G до 10-4G, т. е. на несколько порядков ниже величины σт. Для очень твердых сплавов предел проч­ности доходит до 10-2G. Предельная прочность, наблюдаемая экспери­ментально, достигается в случае нитевидных кристаллов, имеющих диаметр порядка 3 мкм, и приближается k G/ 30.

Отсюда следует, что все кристаллы содержат дислокации с момента своего возникновения, и их низкая прочность связана со скольжением дислокаций через кристаллическую решетку при напряжениях, суще­ственно меньших σт.

Рассмотрим схему атомного механизма перемещения краевой дис­локации при сдвиге на одно межатомное расстояние (рисунок 2.8). Для того чтобы дислокация переместилась из исходного положения в положе­ние 2, достаточно, чтобы атом 1 переместился в положение 3, атом 4 в положение 2, атом 5 в положение 6. Незначительные перемещения атомов приводят к перемещению дислокации на одно межатомное расстояние, что требует приложения напряжения, существенно мень­шего σт.

Рисунок 2. Схема перемещения атомов при скольжении краевой дислокации

(М-М-линия основания избыточных полуплоскостей)

Искажение кристаллической решетки вокруг дислокации количе­ственно описывается с помощью вектора Бюргерса . Определим в идеальной решетке произвольный замкнутый контур Бюргерса, как цепочку векторов, соединяющих друг с другом смежные атомы (рисунок 2.9,а). Если при скольжении внутрь контура войдет дислокация, он окажется незамкнутым (рисунок 2.9, б). Начало и конец контура в разрыве соединяет вектор Бюргерса , равный смещению, произведен­ному дислокацией. Поэтому его величина и направление не зависят от размеров контура Бюргерса и выбора точки начала контура.

Рисунок 2.9. Контур Бюргерса:

а — в идеальной решетке; б— в решетке с краевой дислокацией

Рисунок 2.10. Ветвление дислокации

В решетке вектор Бюргерса должен быть вектором трансля­ции и поэтому может изменяться только скачком (также на вектор трансляции). Отсюда следует ряд геометрических свойств дислока­ции. Скачок вектора Бюргерса в некоторой точке означает, что дислокация ветвится (рисунок 2.10). Если точек ветвления нет, то век­тор Бюргерса остается неизмен­ным вдоль всей длины дислока­ции. В частности, дислокация не может обрываться внутри кри­сталла, в противном случае век­тор Бюргерса уменьшится скач­ком до нуля.

Классификации дислокаций. В зависимости от величины вектора Бюргерса дислокации делят­ся на группы. Рассмотрим их.

1. Полные (совершенные) дислокации. Вектор Бюргерса этих дис­локаций можно разложить по базисным векторам решетки:

где базисные векторы решетки; l , т, п = = 0, 1, 2,...

2. Неполные (несовершенные) дислокации, векторы Бюргерса ко­торых нельзя разложить по базисным векторам решетки.

3.Большие (кратные или супер-) дислокации. Их векторы Бюргер­са больше вектора решетки. Они могут быть как совершенными, так и несовершенными.

4. Единичные дислокации. Их векторы Бюргерса равны вектору решетки. Такие дислокации совершенные.

5. Частичные дислокации. Их вектор Бюргерса меньше вектора решетки. Такие дислокации несовершенные.

Предположим, что эле­мент длины дислокационной линии с единичным вектором

и вектором Бюргерса перемещается в плоскости
с нормалью (рисунок 2.11). Тогда . Пусть — единичный вектор направления движения дислока­ции, определяемый соотношением .

Рисунок 2.11. Схема движения дислокации

Рассмотрим два случая.

1. Вектор лежит в плоскости движения дислокации, т. е.
. Такое перемещение дислокаций называется скольжением, а
плоскости их движения — плоскостями скольжения.

2. Вектор Бюргерса не лежит в плоскости перемещения дислокации
. Такое движение дислокации называется переползанием, так
как при движении дислокация "выползает" из своей плоскости скольжения.
Переползание дислокаций играет важную роль при высоких температурах.

Дислокация называется винтовой, если вектор Бюргерса паралле­лен оси дислокации, то есть (рисунок 2. 12). Модель винтовой дисло­кации может быть построена следующим образом. Сделаем в кристал­ле надрез по плоскости ABCD (рисунок 2.13,а) и сдвинем правую часть кристалла вниз на один период решетки (рисунок 2. 13,б). Величина сме­щения правой части по отношению к левой уменьшается по направле­нию от точки А к точке В. Линия ВС, представляющая собой границу зоны сдвига внутри кристалла, и есть винтовая дислокация.

Поскольку , то винтовая дислокация может перемещать­ся только путем скольжения.

Рисунок 2.12. Контур Бюргерса винтовой дислокации

Дислокация называется краевой, если ее вектор Бюргерса перпендикуля­рен линии дислокации (см. рисунок 2.9,б). В случае, когда угол между вектором Бюргерса и осью дислокации меньше 90°, мы имеем дислокацию сме­шанного типа, которую можно рассмат­ривать как сумму дислокаций—винто­вой с вектором Бюргерса и краевой с вектором Бюргерса то есть .

Поскольку , скольжение краевых дислокаций возможно только в тех направлениях, в которых вектор и перпендикулярен вектору (см. рисунок 2.11).

Рисунок 2.13. Схема образования винтовой дислокации путем сдвига:

а — кристалл до сдвига; б — кристалл после сдвига

Скольжение дислокаций. Механизм скольжения краевой дислокации был описан выше (см. рисунок 2.8). Под действием напряжения дислокация перемещается в плоскости скольжения ММ путем описанных выше перемещений ато­мов. Движение краевой дислокации связано с определенной плоско­стью скольжения.

Движение винтовой дислокации не связано с определенной плоско­стью. В гранецентрированных кубических кристаллах винтовые дис­локации перемещаются в плоскостях типа {111} и при этом могут переходить из одних плоскостей {111} в другие (рисунок 2.14). Если на пути винтовой дислокации в плоскости Р встречается какой-то барьер, то дислокация начинает скользить в другой атомной плоскости R. Этот процесс называется поперечным скольжением. Если дислокация вто­рично меняет плоскость скольжения и начинает скользить в плоскости S, параллельной плоскости Р, то такой процесс называют двойным поперечным скольжением. При неоднократном повторении этого про­цесса мы имеем дело с множественным поперечным скольжением.

Рисунок 2.14. Двойное поперечное скольжение винтовой дислокации ВС

Переползание краевой дислокации. При низких температурах перемещение дислокации осуществля­ется, в основном, путем скольжения. При повышенных температурах, когда скорость диффузии увеличивается, появляются дополнительные вакансии и кроме скольжения начинает действовать механизм пере­ползания дислокаций.

В процессе переползания краевая дислокация перемещается перпен­дикулярно своей плоскости скольжения. Для того чтобы дислокация пе­реместилась из плоскости скольжения в вышележащую плоскость, необ­ходимо удалить ряд атомов с края экстра плоскости Р (рисунок 2.15). Такой процесс называется положительным переползанием. Удаление ато­мов происходит, как правило, при подходе вакансий к краю экстрапло­скости. Атомы, принадлежавшие экстра плоскости, перемещаются в вакантные места, а отрезок дислокации перемещается в соседнюю плоскость. В результате на дислокации образуются две ступеньки, которые называются порогами.