Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 1 - Вест А.
ISBN 5-03-000056-9
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 9.18. Петля четвертичной т0 месте поверхности кристалла дислокации. дислокация входит в кристалл, то
это означает, что где-то на другом участке поверхности она выходит из кристалла. В разбираемом случае две дислокации, зарождающиеся на соседних гранях, встречаются внутри кристалла и, изменяя свое направление, образуют четвертичную дислокационную петлю. Таким образом, чисто краевая дислокация на одной грани выходит из кристалла в виде чисто винтовой дислокации на другой грани, тогда как в промежутке между этими крайними состояниями образуется дислокация смешанного типа с непрерывно меняющимся вкладом краевой и винтовой компоненты. Искажения структуры вокруг смешанной дислокации трудно представить себе без трехмерных моделей.
Механизм образования дислокационных петель еще далек от полного понимания. Один из возможных подходов предполагает образование плоского кластера вакансий с последующим внутренним разрушением структуры (этот путь детальнее обсуждается ниже). При этом порождаются петли, лежащие полностью внутри кристалла. Другой возможный механизм схематически изображен на рис. 9.19. Для зарождения петли необходима лишь трещина на ребре кристалла, дальнейшее образование четвертичной петли обеспечивается смещением небольшого количества атомов (рис. 9.19, а). Зародившись, петля может очень легко увеличиваться в размерах (рис. 9.19,6). Обычно петли разрастаются несимметрично, так как продвижение краевой дислокации осуществляется легче, чем продвижение связанной с нею винтовой компоненты. На рис. 9.19, в показано состояние, когда краевая компонента дислокации прошла сквозь весь кристалл
9.8. Дислокации, механические свойства твердых тел
до его левой грани, при этом процесс скольжения для атомных слоев, примыкающих к передней грани, закончился. Остающаяся дислокация, имеющая преимущественно или чисто винтовой характер, медленно продвигается в направлении задней грани кристалла, после достижения которой процесс скольжения полностью заканчивается.
Чрезвычайно легкое зарождение дислокационных петель приводит к сильному уменьшению механической прочности многих
Рис. 9.19. Зарождение и движение дислокационной петли.
материалов, в первую очередь металлов. Для конструкционных металлов этот факт имеет огромное значение. Сопротивление металлов большим ударным нагрузкам относительно легко установить, так как такие эксперименты выполняются быстро. Гораздо сложнее определить долговременное сопротивление гораздо меньшим нагрузкам, которые, однако, достаточны для зарождения и медленного продвижения дислокаций. Этот процесс носит кумулятивный и в целом необратимый характер, а итогом его может быть катастрофическое разрушение металлов, казалось бы, без видимых причин.
Наряду с сильным уменьшением механической прочности материалов дислокации способны вызывать в них и обратный эффект повышения прочности или твердости. Одно из явлений, приводящих к такому упрочнению, состоит в торможении перемещения дислокаций присутствием примесных атомов (рис. 9.20), например атомов углерода, растворенного в железе. Дислокации свободно передвигаются до тех пор, пока не встречают на своем пути примесные атомы, которые играют роль дислокационной «ловушки».
Чрезвычайно важную роль играет также возникновение наклепа в металлах. При ковке металлов порождается огромное число дислокаций, имеющих в поликристаллических материалах самую различную ориентацию. Эти дислокации начинают двигаться, но их движение рано или поздно (это определяется природой металла и его кристаллической структурой) останавливав
422
9. Дефекты в кристаллах и иестехиомегрия
ется. Роль стопоров, ограничивающих движение дислокаций, играют при этом границы зерен. Происходит это потому, что выход дислокаций деформирует поверхность зерен; возникающие за счет этого напряжения между соседними зернами препятствуют выходу дислокаций на поверхность. Напряжения решетки в той области, которая непосредственно окружает дислокации, вызывают взаимное отталкивание дислокаций, если последние расположены слишком близко друг к другу. Таким образом, торможение дислокаций на границах зерен и со стороны дислокаций, развивающихся в других направлениях, приводит к их нагромождению, в итоге которого индивидуальные дислокации теряют способность двигаться в ту или иную сторону. Увеличение прочности металлов, происходящее при образовании такого «леса дислокаций», называется деформационным упрочением.
Деформационно-упрочениые металлы могут вновь обретать ковкость и пластичность при последующем высокотемпературном отжиге. При высоких температурах атомы обладают тепловой энергией, достаточной для их перемещения. Благодаря этому дислокации получают возможность внутренней перестройки или могут аннигилировать друг с другом. При встрече ядер положительной и отрицательной дислокации в одной плоскости скольжения происходит их взаимное уничтожение, и восстанавливается нормальная структура кристалла, лишенная напряжений. Этот процесс может происходить очень быстро; так, платиновые тигли, часто используемые в лабораторной практике, вновь становятся мягкими после нескольких минут нагревания при ~1200°С.
