Материал: Физика металлов и дефекты кристаллического строения

В плотноупакованной ГЦК- и ГПУ-решетках силы взаимо­ действия между атомами хорошо описываются на основе моде­ лей твердых шаров. Такие структуры образуются путем после­

значается как .. АВСАВС. .. или .. .СВАСВА. .., в ГПУ-кристал-

ляются также плоскостями сдвига — скольжения и двойникования.

гг

Рис. 6.21.

Двойниками называют дефекты кристаллического строения, которые возникают при одновременном существовании в кри­ сталле двух кристаллических структур, являющихся осью зер­ кального изображения (рис. 6.22). В ГЦК-решетках конфигура­ ция двойников соответствует повороту на 180° в плоскости (111), или, что то же самое, зеркальному отражению одной части кристалла по отношению к другой. Плоскость АА' и лю­ бая, ей параллельная, также являются плоскостями скольже­ ния. Если одна из изображенных на рис. 6.22 структур зани­ мает незначительную часть объема, то ее условно называют

двойниковой прослойкой. Двойники могут возникать в процессе кристаллизации, при обработке давлением и механической об­ работке, в процессе мартенситного превращения и т. д.

В кристаллических структурах ГЦК и ГПУ могут встре­ чаться дефекты упаковки. Дефектами упаковки называют на­ рушения регулярности в последовательности слоев в ГЦК- и ГПУ-структурах. Дефекты упаковки в плоскости (111) ГЦКрешеток являются дефектами вычитания или дефектами внед­ рения.

Если в идеальном кристалле размещение атомных слоев под­ чиняется закономерности АВСАВСАВС, то в дефектах типа вы­ читания до плоскости дефекта с обеих сторон сохраняется нор­ мальная последовательность атомов в кристалле, а в месте образования де­ фекта последовательность нормально­ го размещения нарушается. Напри­ мер, в результате удаления слоя А:

ABCABCj ВСАВСА.

Дефекты упаковки типа внедрения об­ разуются при введении дополнитель­ ного слоя атомов в их правильную по­ следовательность:

АВСАВС В АВСАВС,

Рис. 6.22.

в результате чего плоскости, вставленные в центр дефекта, не­ правильно упакованы относительно слоев с обеих его сторон. Эти дефекты эквивалентны двойниковым плоскостям, разделен­ ным двумя атомными слоями. Все они сохраняют плотную упа­ ковку и в отличие от других поверхностных дефектов, в которых связь с ближайшими соседями деформирована или разорвана (например, на границах зерен), имеют низкую поверхностную энергию.

В связи с тем, что образование несовершенных, частичных дислокаций связано с существованием поверхностей с низкой энергией, частичные дислокации следует рассматривать как дву­ мерный дефект, а их образование связывать со сдвигом, напри­ мер в решетках ГЦК, в плоскостях (111). К несовершенным дислокациям, например в ГЦК-структурах, относятся частичные дислокации с вектором Бюргерса Ь2 = 1/бя, называемые дисло­ кациями Шокли. На рис. 6.23 показано расположение атомов

и полной дислокации с b = V2а [101] в плоскости (111) и рас­ щепление этой дислокации на частичные дислокации Шокли

дефектами упаковки, называется расщепленной (растянутой)

дислокацией.

Суммарная энергия двух частичных дислокаций меньше энергии одной полной и может быть определена из уравнения

каций (Ь2 и Ь3) равен 60°, частичные дислокации, характеризуе­ мые этими векторами, оттал­ киваются друг от друга. По­ этому ширина дефекта, лежа­ щего между ними и обладаю­ щего энергией, большей, чем энергия бездефектной решетки, будет увеличиваться. С учетом этого энергия частичной дисло­ кации

Ечаст= G — у/,

здесь / — расстояние между ча­ стичными дислокациями; у — энергия дефекта упаковки на единицу длины. Возрастание у[

препятствует удалению частичных дислокаций на расстояние, большее равновесной ширины. При равенстве притяжения и упругих сил отталкивания между частичными дислокациями /а находится из равенства

\1о = -^полн 2£част.

Следовательно, чем меньше энергия упаковки у, тем больше ширина /о:

/0 = СЬ2/(4яу).

Энергия дефектов упаковки очень существенна для движения и взаимодействия дислокаций. Вероятность образования дефек­ тов упаковки увеличивается тем значительнее, чем меньше у. Эта энергия зависит от рода металла, например для золота, меди, алюминия, никеля, кремния и нержавеющей стали она имеет соответственно следующие значения: 0,040; 0,080; 0,200; 0,300; 0,055 и 0,013 Дж/м3. Наличие примесных атомов и леги­ рующих элементов, как правило, понижает значения у и увели­ чивает /0, т. е. вреоятность образования дефекта упаковки.

Помимо частичных дислокаций типа Шокли в кристаллах присутствуют так называемые сидячие дислокации (дислокации

Франка), вектор Бюргерса которых не лежит в плоскости де­ фекта упаковки. Образование сидячих дислокаций может проис­ ходить при «захлопывании» плоской группы вакансий в решетке ГЦК. Петля сидячей дислокации Франка (рис. 6.24, а) возни­ кает с чередованием плотноупакованных слоев, как показано на рис. 6.24,6 (дано поперечное сечение петли). При этом обра­ зуются петли-диски, плоские поверхности которых являются плоскостями типа (111). Если «захлопывание» диска происхо­ дит со смещением плоских поверхностей в направлении, нор­ мальном к поверхности, то образуются дислокационные петли Франка, ограничивающие дефект упаковки вычитания. Дислокации Франка имеют вектор Бюргерса

VЗа [1Н], перпендикулярный к плоскости дефекта. Такие ди­ слокации, как сидячая, полузакрепленная, призматическая, ди­ слокация Франка, не способны к скольжению, а сами являются препятствием для скольжения других дислокаций.

Другим барьером для сколь­ жения дислокаций может быть

комбинированная дислокация Ломера — Коттрелла, дислокаци­

онная линия и вектор Бюргерса которой лежат в плоскости (010), не являющейся плоскостью скольжения. Образование их может происходить в результате взаимодействия двух дислока­

скостью скольжения для ГЦК-кристаллов, В. «Номер предпо­ ложил, что движение новой дислокации будет затруднено. Впоследствии А. Коттрелл показал, что для нее существует возможность диссоциации и образования сидячей дислокации, названной их именами. Эта дислокация оказывает большое влияние на деформационное упрочнение ГЦК-металлов.

Н. Томпсоном введено представление о вершинных дислока­ циях, которые также являются частичными и образуются при расщеплении дислокаций, сопровождающемся переходом одной из частичных дислокаций в другую плоскость скольжения или взаимодействием ее с дислокацией, лежащей в другой плоскости скольжения. При этом дислокационная линия может переходить из одной плоскости, например плоскости d, в другую—плоскость с, образуя острый угол между дефектами, если же плоскость d переходит в плоскость а, то возникает тупой угол. На рис. 6.25 даны схемы образования вершинных частичных дислокаций при

пересечении под острым (рис. 6.25, а) и тупым (рис. 6.25,6) углами.

Рассмотренные на примере ГЦК-структур виды дислокаций встречаются в кристаллах и с другими структурами. Однако частичные дислокации иных кристаллических структур, обладая многими общими свойствами с частичными дислокациями ГЦК-решеток, по своей конфигурации могут существенно отли­ чаться от них, что приводит к резкому различию их свойств. Так, например, в металлах с ГПУ-решеткой могут встречаться так называемые зональные дислокации, а в кристаллах с ОЦКрешеткой могут появляться новые дефекты упаковки с большей энергией, связанные с двойникованием.

Движение вершинных дислокаций в любом направлении вле­ чет за собой образование дефекта с повышенной энергией. По­ этому, по мнению В. Рида, вершинные дислокации являются си­ дячими, и они оказывают большое тормозящее воздействие на движение дислокаций.

6.7. ДВИЖЕНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ

Важным свойством дислокаций является их способность к движению. Возможны два механизма движения: консерватив­ ный (скольжение), осуществляемый сдвиговым путем, и некон­ сервативный (переползание), реализуемый перемещением оди­ ночных атомов вследствие диффузии.

При скольжении под действием внешнего приложенного пе­ ременного напряжения (см. рис. 6.5) дислокация должна пре­ одолевать периодические силы межатомной связи, действующие в плоскости скольжения, когда одна часть кристалла скользит относительно другой. Смещение при скольжении одной части кристалла на величину вектора Бюргерса относительно пло­ скости АВ (см. рис. 6.6) не нарушает сплошности кристалла. Плоскость АВ называется поверхностью скольжения линии дан­ ной дислокации. В общем случае под плоскостью скольжения