Простейшие виды дислокаций - краевые и винтовые

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край «лишней» полуплоскости (рисунок. 2.2)

а	б
Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Неполная плоскость называется экстраплоскостъю.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости ABCD, 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) (рисунок 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.

Рисунок 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 (рисунок 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.

Рисунок 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 м², или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м³ (см^-2; м^-2): .

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния ма­териала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 10⁵... 10⁷ м², в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дис­локаций достигает 10¹⁵... 10^1б м².

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рисунок 2.5).

 

Рисунок 2.5 – Влияние плотности дислокаций на прочность

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций ρ = 10⁵...10⁷ м^-2

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 σ_в= 13000 МПа, для меди σ_в=30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислока­ций, она не должна превышать значений 10¹⁵...10¹⁶ 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 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 (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 – Разориентация зерен и блоков в металле

Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до не­скольких десятков градусов (θ).

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 (θ₁). 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 (θ₂). Такую структуру называют блочной или мозаичной.