Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
Шаг NI
OOOIOOO OOOIOOO О О OIO о о ООО ООО ООО ООО OOOOOO
(б) Двойникование
Исходная конфигурация Деформация двойникованием Конфигурация атомов
Рис. 5. Переползание и двойникование
(а) Здесь показано положительное переползание краевой дислокации. Дополнительная (экстра) полуплоскость перпендикулярна плоскости рисунка и изображена темными кружками. Чтобы произошло переползание дислокации, вакансия должна переместиться (шаг I) в положение справа от атома 1, одного из атомов, образующих край дополнительной плоскости. Если атом 1 перейдет в вакансию (шаг II), край дислокации потеряет один атом и атом 2 (заштрихованный кружок) станет следующим атомом на краю (непосредственно под плоскостью рисунка). Если все остальные атомы, которые первоначально занимали край дополнительных плоскостей, уйдут в результате взаимодействия с вакансиями, краевая дислокация переползет на одно межатомное расстояние в направлении, перпендикулярном плоскости скольжения (шаг IN), (б) Слева сдвиговые напряжения, приложенные к исходной конфигурации, приводят к деформации двойникованием. Справа показано расположение атомов в плоскостях двойникования в гцк кристалле. Темными и светлыми кружками обозначены атомы, расположенные соответственно выше и ниже плоскости рисунка. Когерентная граница между исходной матрицей и ее зеркальным отражением строго параллельна плоскости двойникования. В этом случае решетки двойника и исходной матрицы идеально сочетаются на границе (называемой когерентной границей двойника)
не являются строго направленными и атомы могут скользить один за другим относительно легко на большие расстояния без разрушения связей. В высокосимметричных металлических кристаллах дислокации могут принимать такую конфигурацию, при которой силы сцепления оказывают очень небольшое сопротивление их скольжению в плотноупакованных плоскостях, в связи с чем большинство металлов может испытывать большие пластические деформации, предшествующие разрушению. Однако сотни тысяч дислокаций должны пересечь плоскость скольжения, чтобы образовать на поверхности видимую линию скольжения. Прохождение дислокации оставляет кристалл с той же конфигурацией, в которой он находился раньше. Следовательно, не изменяется решетка и сохраняется объем.
Другими словами, пластическая деформация - независимо от того, получена она при растяжении, сжатии, прокаткой на стане при изготовлении тонких листов или штамповкой для получения сложной формы, - приводит к желаемому изменению формы без изменения объема.
Дислокации приводят к образованию повреждений решетки либо в процессе затвердевания и последующего охлаждения, либо в процессе пластической деформации. Плотность дислокаций равна числу дислокаций, проходящих через единицу площади. В отличие от вакансий решетки дислокации не понижают свободную энергию Гиббса кристалла, но их существование неизбежно, поскольку они образуются под действием очень небольших напряжений. Даже если проявлять величайшую осторож-
ность, практически невозможно обеспечить затвердевание или отжиг обычного материала без образования дислокаций с плотностью менее IO4 дислокаций/см2.
Кроме того, дислокации являются естественным следствием роста металлических кристаллов из жидкости или перенасыщенного пара, поскольку атомы переходят в растущий кристалл легче по ступеньке или выступу, чем по идеально гладкой поверхности. В обычных отожженных металлах и сплавах содержится IO7 дислокаций/см2. В сильно деформированных (подвергнутых холодной обработке) металлах и сплавах содержится порядка IO11 дислокаций/см2, поскольку при холодной обработке дислокации генерируются. Как ни парадоксально, прочность металлов можно приблизить к теоретической, используя один из двух диаметрально противо-
344
Los Alamos Science Number 26 2000
Механические свойства плутония и его сплавов
по ложных способов: устранить практически все дислокации, как это делается при выращивании очень тонких нитевидных кристаллов металла (усов), либо создать чрезвычайно большое количество дислокаций, которые будут препятствовать перемещению друг друга, увеличивая прочность.
Переползание дислокации. В процессе скольжения при низких температурах краевые дислокации ограничены плоскостью скольжения, тогда как винтовые дислокации могут путем “поперечного скольжения” переходить из одной плоскости скольжения в другую. При температурах порядка половины температуры плавления вещества краевые дислокации начинают перемещаться в соответствии с механизмом, известным как переползание дислокаций. При таком процессе поле собственных напряжений, окружающее линию краевой дислокации, индуцирует вакансии, которые последовательно мигрируют вдоль этой линии. Каждый раз, когда вакансия присоединяется к краевой дислокации, этот небольшой участок переползает на одно межатомное расстояние в направлении от предыдущей плоскости скольжения, CM. рис. 5(a). По мере многократного повторения этого процесса соответствующие дислокации перемещаются на значительные расстояния, в результате чего все вещество проявляет макроскопическую “ползучесть”, т. е. удлинение и утончение в макроскопическом масштабе. Переползание коренным образом отличается от скольжения с нескольких точек зрения: переползание чувствительно к нормальному напряжению (растягивающему или сжимающему, соответственно при положительном и отрицательном переползании), тогда как скольжение является следствием сдвиговых напряжений. Кроме того, при переползании требуется достаточное количество энергии для образования или аннигиляции вакансий (соответственно при отрицательном и положительном переползании). Следовательно, для переползания необходимы температуры, при которых вакансии легко мигрируют, обычно это около половины абсолютной температуры плавления.
