Что такое дислокация металлов
Обновлено: 05.07.2024
Дислокациями называют линейные дефекты кристаллов, возникающие в процессе роста или пластической деформации. Различают краевые и винтовые дислокации, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей.
Причиной краевой дислокации является отрыв одной из плоскостей внутри кристалла. Образование винтовой дислокации связано, в основном, с условиями роста кристалла, состоящего из одной атомной плоскости, изгибающейся по винтовой поверхности.
Дислокации в кристалле могут возникать при его росте и в том случае, когда растущие навстречу друг другу блоки или зерна повернуты один относительно другого. При срастании таких блоков образуются избыточные атомные плоскости, которые определяют текстуру реальных кристаллов.
Причиной образования дислокаций в кристалле могут быть также скопления точечных дефектов, в частности, вакансий.
В процессе пластической деформации происходит не одновременный сдвиг всех атомов данной плоскости, а последовательное перемещение связей между атомами, лежащими по обе стороны плоскости скольжения. Такое перераспределение связей предопределяет движение дислокаций от одной группы атомов к другой.
Количество дислокаций в кристаллических структурах очень велико. Число дислокационных линий, пересекающих 1 см2 внутри отожженных монокристаллов может достигать 104¸106 и более.
Схемы образования дислокаций представлены на рис. 3.4 и рис. 3.5.
Рис. 3.4.Образование дислокаций на границах блоков:
а – два блока, растущих навстречу друг другу; б- дислокации, возникающие при срастании блоков
Рис. 3.5. Образование дислокаций из скопления вакансий:
а - скопление вакансий в кристалле; б – положительная и отрицательная дислокации
Наличие дислокаций значительно снижает прочность реальных кристаллов, которые разрушаются при напряжениях, на несколько порядков меньших, чем идеальные.
Дислокации влияют на электрические, оптические, магнитные и другие свойства. Так, они повышают электросопротивление, снижают плотность, упругость, а также предельное напряжение сдвига материала. Последнее объясняется тем, что при сдвиге, т.е. при пластической деформации к имеющимся дислокациям присоединяются и вновь образованные.
Однако пластическая деформация и рост дефектов могут привести к упрочнению структуры. Это происходит в результате накопления дислокаций и взаимодействия их как между собой, так и с другими дефектами кристаллической решетки, что вызывает ее искажение и затрудняет перемещение дислокаций. Кроме того, атомы примесей, границы блоков, обособленные включения в решетки также затрудняют перемещение дислокаций, увеличивая сопротивление сдвигу.
Напрашивается вывод о положительной роли дислокаций, тем более, что в металловедении известны многие практические приемы упрочнения структуры металлов, такие как холодное деформирование (наклеп), введение примесей (легирование), создание обособленных включений (закалка) и др.
Следовательно, для упрочнения кристаллической структуры необходимо стремиться либо к большему развитию дефектов, либо к полному их устранению. На рис. 3.6 представлен график влияния роста дефектов на изменение прочности кристаллической структуры, который показывает, что максимальная прочность реальных кристаллов далека от теоретической.
Рис. 3.6. Зависимость сопротивления деформации от количества дефектов в кристалле
В продолжение освещения роли линейных дефектов, образующихся в процессе пластических деформаций в кристаллической структуре, необходимо заметить о возможности локального скопления дислокаций, которые могут вызвать местные концентрации напряжений. Последние, в сочетании с такими же локальными скоплениями дефектов, способны образовывать зародыши микротрещин, которые, как известно, являются основной причиной разрушения структуры.
Роль поверхностных и объемных дефектов в структурообразовании рассмотрим при изучении макроструктуры материалов.
Лекция 5. Основные типы дислокаций: краевые, винтовые и смешанные дислокации
Дислокации принадлежат к линейным несовершенствам кристалла. Первоначально представления о дислокации были введены в физику твёрдого тела в 1934 году для того, чтобы объяснить несоответствие между наблюдаемой и теоретической прочностью и описать атомный механизм скольжения при пластической деформации кристаллов. Численные теоретические значения скалывающих напряжений, необходимых для деформации оказываются больше экспериментальных в 10- 10раз. Такая разница между расчётной и экспериментальной величинами свидетельствует о том, что механизм процесса сдвига при деформации, основанный на предположении, что части кристалла при этом смещаются относительно друг друга вдоль плоскости скольжения как жесткие системы, не соответствует реальности. Это объясняется тем, что в кристалле, находящемся под внешним напряжением, взаимодействуют уже существующие в нём и возникающие под воздействием внешнего напряжения особого рода дефекты кристаллической решётки. Впоследствии теория дислокаций получила широкое развитие и стала применяться для анализа самых разнообразных явлений в металлах и сплавах. При этом, если на первых этапах развития этой теории представления о дислокациях были чисто гипотетическими, то затем были получены прямые доказательства их существования, а в настоящее время используются разнообразные экспериментальные методы изучения дислокаций в металлах и сплавах.
Схема краевой дислокации показана на рис.20. Если в кристалле сделать надрез по плоскости АВСД и сдвинуть части кристалла вдоль плоскости надреза, перпендикулярно к краю надреза, что полученная граница АВ между участком, где скольжение уже произошло, и ненарушенным участком будет краевой дислокацией (рис.20.а). Представим себе, что в части кристалла по каким либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость. Вблизи края экстраплоскости решётка сильно искажена. В этом участке кристаллов против n атомов одного ряда располагается n+1 или n-1 атомов другого ряда. Выше края экстраплоскости (линия АВ) межатомные расстояния меньше параметра решётки, а ниже края – больше. Атом на самой кромке экстраплоскости имеет меньше соседей, чем внутри совершенной решётки. Таким образом, вдоль края экстраплоскости находится область с несовершенной решёткой, которая называется краевой дислокацией.
Рисунок 20 – Краевая дислокация
а – пространственная схема,
б – схема расположения атомов в области дислокации
Ядром или центром дислокации называют осевую зону дефектного участка кристалла, где очень сильны искажения решётки. Положение ядра дислокации в кристаллографической плоскости, являющейся плоскостью чертежа, обозначается знаком. Совокупность таких центров в параллельных атомных плоскостях образует линию дислокации.
Еслиэкстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной, в нижней – отрицательной. Положение центра ядра отрицательной краевой дислокации обозначается знаком . Дислокация перемещается в плоскости АВ, называемой плоскостью скольжения.
Большое значение в теории прочности и пластичности металлов имеет характер искажений кристаллической решётки вокруг краевой дислокации. У положительной краевой дислокации наблюдается растяжение кристаллической решётки под плоскостью скольжения, выше плоскости – сжатие решётки. У отрицательной дислокации наоборот.
Винтовая дислокация показана на рис.21. Если надрезать кристалл по плоскости АВСД и сдвинуть по этой плоскости одну часть кристалла относительно другой параллельно краю надреза, то границей сдвига окажется винтовая дислокация АВ (рис.21.а). Дефект решётки заключается в том, что одна её часть ( атомы изображены чёрными кружками) на некотором протяжении оказались сдвинутыми на один параметр решётки вниз по отношению к другой (белые кружки). Благодаря такому сдвигу части кристаллической решётки образовалась спиральная или винтовая поверхность. В отличие от линейной дислокации, лишней атомной плоскости у винтовой дислокации нет. Искажение кристаллической решётки заключается в том, что вблизи дислокации атомы меняют своих ближайших соседей, в результате чего плоскости решётки изгибаются. Характер искажений зависит от знака винтовой дислокации. Если искажения решётки направлены по часовой стрелке винтовая дислокация называется правой, если против часовой стрелке – левой.
Рисунок 21 – Сдвиг, создавший винтовую дислокацию.
а – кристалл до сдвига надрезан по АВСD, б – кристалл после сдвига, АВСD – зона сдвига.
Дислокации смешанной ориентации наиболее распространены в металлах и сплавах. Зона сдвига АВС на рис.22 ограничена линией дислокации АС. Плоскость чертежа является плоскостью скольжения, чёрные кружки обозначают атомы, расположенные под плоскостью скольжения, белые – над ней. Вблизи точки А дислокация имеет винтовую ориентацию, около точки В – краевую. Линия смешанной дислокации может оканчиваться на гранях кристалла, как это показано на рис.22, кроме того, возможно существование замкнутой петли внутри кристалла. Отдельные участки имеют чисто винтовую или краевую ориентацию, но, в основном, ориентация дислокаций смешанная. Петля определяет границу зоны сдвига части кристалла (внутри петли) относительно области вне петли, не претерпевшей сдвиг.
Рисунок 22 – дислокация смешанной
Дислокации, находящиеся в кристаллической решётке зёрен и кристаллов, называют дислокациями решётки, или внутризеренными.
Геометрически дислокации характеризуются двумя параметрами: направлением линии дислокации и вектором Бюргерса (рис.23).
Рисунок 23 – схема определения вектора Бюргерса
а – схема плоскости реального кристалла,
б – решётка совершенного кристалла.
Вектор Бюргерса является мерой искаженности кристаллической решётки, обусловленной присутствием в ней дислокации. Он определяет энергию дислокации, действующие на дислокации силы, величину, связанного с дислокацией сдвига, влияет на подвижность дислокации. Следовательно вектор Бюргерса главная количественная характеристика дислокации.
Если дислокация вводится в кристалл чистым сдвигом – так как это было показано ранее на примере краевой, винтовой дислокации, то вектор сдвига и является вектором Бюргерса. Вектор сдвига определяет величину и направление смещения атомов в той области, где сдвиг уже произошел, т.е. определяет степень искаженности решётки, связанную с присутствием дислокации, введенной в кристалл путём сдвига. Однако дислокация не всегда называется сдвигом. Кроме того, не все типы дислокаций можно определять через вектор сдвига. Поэтому более общим является определение вектора Бюргерса не как сдвига, а как меры искаженности кристаллической решётки.
Чтобы оценить степень искаженности кристаллической решётки, вызванной дислокацией, следует сравнить несовершенный кристалл, содержащий дислокацию, с совершенным кристаллом. Для этого строят так называемый контур Бюргерса. Контуром Бюргерса называется замкнутый контур произвольной формы, построенный в реальном кристалле путём последовательного обхода дефекта от атома к атому в совершенной области кристалла.
При одинаковом количестве шагов в горизонтальном и вертикальном направлении в конце концов приходим к первоначальному атому, т.е. в идеальном кристалле контур Бюргерса замкнут. В кристалле, содержащем краевую положительную дислокацию, контур Бюргерса окажется незамкнутым. Остаётся ещё отрезок, длина и направление которого определяют вектор Бюргерса.
На рис.24 показано построение контура и вектора Бюргерса для винтовой дислокации. Контур Бюргерса можно, например, построить от исходной точки А (рис.24.а). Пройдём от неё влево девять межатомных расстояний до точки В, шесть до точки С и вправо девять до точки Д. Чтобы попасть на уровень исходной точки А, опустимся от точки Д по вертикали вниз до точки Е на одно межатомное расстояние и пройдём шесть межатомных расстояний от Е доА.
Рисунок 24 – Контур Бюргерса вокруг винтовой дислокации (а) и эквивалентный контур в совершенном кристалле (б)
Для проведения соответствующего контура к совершенном кристалле (рис 24.б) сделаем девять шагов от исходной точки Адо В, затем шесть до С, девять до Д, один шаг вниз по вертикали от Ддо Еи шесть шагов на горизонтальном уровне в сторону исходной точки. При этом мы попадём не в исходную точку А, а в точку F. Невязку контура ликвидируем, замыкая его вектором Бюргерса b (соединяя точки F и А). Этот вектор характеризует степень искаженности решётки, вызванной дислокацией в кристалле на рис.24а. Весьма удобно, что искаженность решётки несовершенного кристалла выражается через период решётки идеального кристалла, т.е. через константу.
Дислокации, у которых вектор Бюргерса соответствует тождественной трансляции атома, называются полными или единичными. Векторы единичных дислокаций имеют в решётке различные направления. Энергия дислокаций будет минимальной в том случае, когда их векторы Бюргерса параллельны направлению плотнейшей упаковки атомов в кристаллической решётке. Частичными являются такие дислокации, вектор Бюргерса не соответствует тождественной трансляции атома. Векторы Бюргерса частичных дислокаций меньше, чем полных.
Вектор Бюргерса характеризуется рядом особенностей:
1. Нормален к лини краевой дислокации и параллелен к линии винтовой дислокации. Вдоль линии смешанной дислокации угол между ней и вектором Бюргерса в разных точках имеет разную величину и располагается под углом к линии дислокации АС.
2. У дефектов недислокационного типа равен нулю. Если построить контур Бюргерса вокруг любого точечного или линейного дефекта недислокационного типа (вокруг цепочки атомов или вакансий), то соответствующий контур в идеальном кристалле окажется замкнутым.
3. Одинаков вдоль всей линии дислокации, т.е. является инвариантом дислокации. Это следует, например, из того, что при смещении контура Бюргерса вдоль линии дислокации он всё равно будет оставаться эквивалентным исходному контуру (при условии, что он всеми своими точками не выходит из совершенной области решётки, т.е. не пересекает другие несовершенства). Кроме того, вектор сдвига, создающего, например, криволинейную смешанную дислокацию, имеет одну величину и одно направление для всего кристалла.
Из инвариантности вектора Бюргерса вытекает важное следствие: дислокация не может обрываться внутри кристалла. Внутри кристалла дислокации могут образовывать замкнутые петли с одинаковыми векторами Бюргерса вдоль всей петли или встречаться с другими дислокациями, образовывая узлы (точки встречи).
Выход дислокаций на поверхность шлифа металла проявляется в виде точки – углубления. Дислокации являются местами развития растущего кристалла. Эти же места активны при обратном процессе – растворении.
К параметрам, характеризующим свойства дислокации относятся её длина и ширина. Длина дислокации – это протяженность зоны искажения кристаллической решётки. В чистых ГЦК металлах устойчивая дислокация при напряжениях, сравнимых с пределом текучести, может иметь длину 10-3 – 10-4 см. Под шириной краевой дислокации следует понимать ширину области на плоскости скольжения, где величина межатомных смещений составляет не менее 1/8 максимального значения атомного смещения в центре дислокации, равного примерно 1/4а. Ширина дислокации определяет её энергию, подвижность, уровень напряжений, при которых дислокация может двигаться вдоль плоскости скольжения.
Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые
Неполная плоскость называется экстраплоскостью.
Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.
Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 2.3).
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная (), если в нижней, то – отрицательная (). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.
Рис. 2.3. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации
Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация
Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 2.4) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.
Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.
Рис. 2.4. Механизм образования винтовой дислокации
Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.
В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.
Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.
Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.
Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м 2 , или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м 3
Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 10 5 …10 7 м -2 , в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10 15 …10 16 м –2 .
Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 2.5)
Рис. 2.5. Влияние плотности дислокаций на прочность
Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций
Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм - “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10 15 …10 16 м –2 . В противном случае образуются трещины.
Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.
Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно “захлопывание” их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.
Поверхностные дефекты– границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Разориентация зерен и блоков в металле
Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов ().
Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.
Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов (). Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.
В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса (). Такую структуру называют блочной или мозаичной
Источники дислокаций
Источники дислокаций в металле делят на две группы – связанные и несвязанные с пластической деформацией. Дислокации, в отличие от вакансий и межузельных атомов не являются термически равновесным дефектом, так как энергия образования дислокаций намного больше энергии формирования точечных дефектов.
Дислокации не могут зародиться вследствие теплового движения атомов. Они образуются в процессе кристаллизации и охлаждении металла (рисунок 33). В ходе кристаллизации металла на подложке из-за различия кристаллического строения металла и подложки возникают напряжения, которые могут релаксировать путём возникновения дислокаций на границе подложка – растущий кристалл. Такие дислокации называют структурными или дислокациями несоответствия. Повышение энергии при появлении дислокаций компенсируется уменьшением энергии упругой деформации сопряженных решёток металла и подложки.
Кристалл состоит из субзёрен (блоков), слегка взаимно разориентированных. Когда слегка разориентированные части кристалла срастаются, вертикальные атомные плоскости в месте срастания обрываются и на границе между ними возникают дислокации (рис.33.а).
Рисунок 33 –Схема образования дислокаций на границе блоков (а) и в месте скопления вакансий (б)
Если образование зародышей кристаллов происходит гетерогенным путём, на поверхность подложек могут выходить винтовые дислокации, т.е. готовые ступеньки, которые как бы продолжаются в растущий кристалл.
При охлаждении закристаллизовавшегося металла резко уменьшается равновесная концентрация вакансий, избыточные вакансии конденсируются, в результате чего появляются вакансионные диски. Когда диаметр вакансионного диска превышает некоторую критическую величину, под действием сил межатомного притяжения диск захлопывается и образуются дислокации противоположных знаков (рис.33.б). Это явление называют захлопыванием вакансионного диска. Неравномерное распределение в кристалле атомов примесей приводит к искажению решётки и возникновению упругих напряжений.
На рисунок 34 показаны схемы дислокационных источников. Дислокация зарождается на неметаллических включениях. В процессе быстрого охлаждения на границе металл – включение возникают напряжения, обусловленные различием коэффициентов термического сжатия. Уменьшение напряжения происходит путём образования дислокаций несоответствия и испускания дислокаций поверхностью раздела. Вблизи включений количество вакансий повышено, поэтому очень вероятно захлопывание вакансионных дисков, которые взаимодействуют с дислокациями, образовавшимися у поверхности раздела и движутся от включения. Конфигурация источников дислокаций, которые называются источниками Бароина-Херринга, зависит от типа первоначальной дислокации (рис.34.а, б).
Рисунок 34 – Схема действия дислокационных источников Бардина – Херринга в случае краевой дислокации (а), дислокации смешенного типа (б) и источника дислокаций Франка – Рида (в – ж)
Механизм образования дислокаций при деформировании был почти одновременно предложен физиками Франком и Ридом, поэтому источники дислокаций получили название источников Франка-Рида. Дислокация DDрасположена в полости скольжения, совпадающей с плоскостью чертежа (рис.34.в). В точках D и Dдислокация закреплена. Под действием внешнего напряжения τ она начинает выгибаться (рис.34.г) и в какой-то момент принимает форму полуокружности. Дальнейшее расширение дислокационной петли в плоскости скольжения может происходить и при напряжениях меньшей величины. Около точек D и Dдислокация искривляется. Вертикальная стрелка показывает, что верхний участок дислокации движутся параллельно приложенному направлению – это участок краевой дислокации. Горизонтальные стрелки обозначают участки винтовой дислокации (рис.34.д). При таком закручивании наступает момент, когда спиралевидные части дислокации подходят друг к другу (рис.34.е) и соприкасаются. В месте соприкосновения встречаются участки дислокации противоположного знака, они взаимно уничтожаются, в результате чего одна дислокация разделяется на две – замкнутую петлю и внутренний отрезок (рис.34.ж). Под действием напряжения τ внешняя петля расширится соответственно перемещению её отдельных участков, имеющих различную ориентацию, а внутренний отрезок дислокации будет выгибаться вновь и повторит при перемещении цикл.
Один источник Франка-Рида может генерировать сотни дислокаций. При испускании каждой дислокации одна часть кристалла смещается относительно другой на величину вектора Бюргерса. Источниками дислокаций являются поверхностные дефекты (внешние поверхности, границы зёрен и их тройные стыки, границы субзёрен и двойников).
Количество дислокаций в кристаллах оценивается плотностью дислокаций ρ, под которой понимают суммарную протяженность дислокационных линий в 1см. Плотность дислокаций выражается в см, если длина дислокации измеряется в см. В тщательно выращенных монокристаллах ρ10- 10см; в хорошо отожженных монокристаллах 10-10см; в деформированном металле 10-10см.
Читайте также: