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 офаничивается только частью размера зерна. Существуют и другие дефекты, как правило, снижающие прочность металла.

а

в

Рис. 1.4. Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а — вакансии, б — атом внедрения, в — примесный атом внедрения

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 дислокации 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 1 или т (экстраплоскости в верхней или нижней час­ти зерна — положительная или отрицательная).

Рис. 1.5. Схема краевой дисло­кации в кристаллической ре­шетке

Вектор Бюргерса. Одним из парамет­ров, характеризующих поведение дислокации во время пластической 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 ~т l~cl~i~l~J~]jiJ~L Бюргерса (рис. 1.6). Протяженность сторон -<>—о~6*-о*-0*-0*-о—о—о— контура выбирается произвольно. Например,

Рис. 1.6. Схема определения век­тора Бюргерса

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 х 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 кри­
сталлической решетки является винтовая дислокация (рис. 1.8). Она формируется и
перемешается при сдвиге одной части кристалла относительно другой по какой-
нибудь плоскости под дейст­
вием внешних сдвиговых (ка­
сательных) сил Р (перемеще­
ние дислокации АВ..А 'В', рис.
1.8). На схеме сдвиг распро­
странился от переднего края
кристалла до линии АВ, па­
раллельной силам Р. При этом
правый край кристалла сме­
стился вниз на параметр ре­
шетки. При дальнейшем дей­
ствии этих сил АВ продолжит
смещение к задней стенке ^с °

кристалла— А 'В'. Рис. 1.7. Схема работы источника Франка—Рида

Рис. 1.8. Схема винтовой дислока- Рис. 1.9. Схема блочного строения зерна:
ции а — угол между блоками

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 а).