5.7 Ограничение подвижности дислокаций
Рассматривая ранее условия перемещений дислокаций внутри кристалла, мы не учитывали те возможные препятствия, которые могут встретиться на их пути и оказать значительное влияние на возможность движения дислокаций, а, значит, и на уровень тех напряжений, которые обеспечивают необходимую пластическую деформацию материала.
Познакомимся с основными факторами и явлениями, которые препятствуют свободному движению дислокаций.
5.7.1. Силы Пайерлса-Набарро
Известно, что перемещение краевой дислокации происходит за счет своеобразного последовательного переключения атомных связей в направлении приложенного направления, т.е. путем последовательного разрыва и восстановления атомных связей на пути движения дислокаций. Образно говоря, дислокация пробегает по атомной плоскости, как по неровной "дорожке", волнистость которой как-то затрудняет перемещение. Скорость движения дислокации во многом будет зависеть от качества этой "дорожки", т.е. от того, сколько дополнительной энергии надо затрачивать на перемещение по ней. Здесь надо иметь в виду, что на качество "дорожки" влияет и тепловое движение атомов в узлах кристаллической решетки, и величина межатомного расстояния в направлении давления, и многое другое. Короче говоря, на пути движения дислокации возникает сопротивление, похожее по своему действию на силы трения. Эти силы получили название сил Пайерлса-Набарро. Силы Пайерлса-Набарро прямо зависят от величины вектора Бюргерса; чем он меньше, тем меньше величина сил Пайерлса-Набарро, тормозящих движение дислокации. Поэтому-то перемещение происходит преимущественно по самым плотноупакованным атомами плоскостям кристалла, где величина вектора Бюргерса, а, следовательно, и сил Пайерлса-Набарро минимальна.
Основной
вклад в силы трения дают колебания
величины энергии ядра
краевой дислокации при её
передвижении
на
один вектор Бюргерса по плоскости
сдвига. Разрыв связей
(рис. 5.4) и их переключение
на экстраплоскость связана с
изменениями
общей
деформации
связей
в ядре, а значит,
и
с
изменением энергии ядра Uc
на величину ±ΔUc.
Часть этой
энергия по
второму началу
термодинамики рассеивается, что
и
создает возникновение сил
трения.
Можно
оценить
силы Пайерлса-Набарро по выражению
~
.
Согласно выполненным расчетам, по методу, близкому к описанному выше расчету Френкеля теоретической прочности при одновременном сдвиге оказалось, что силы трения не превышают 10-4G. На самом деле в металлах они существенно меньше этой величины из-за неучтенной в расчете возможности скольжения очага сдвига вдоль линии дислокации.
5.7.2 Барьеры на пути движения дислокаций
Представим, что по плоскости скольжения MN, под действием сдвиговых напряжений τ движется дислокация (рис. 5.14), посланная источником М. На пути её движения находится барьер (заштрихован на рисунке), дойдя до которого она остановится. Источник Франка-Рида, поскольку напряжения τ продолжает действовать, посылает в сторону барьера одну за другой n дислокаций, которые также остановятся у препятствия в виде плоского скопления. Давление на барьер по мере этого будет усиливаться, т.к. при перемещении одной дислокации действует сила, равная τ·b, а в данном случае в районе головной дислокации она будет, примерно, в n раз больше. В итоге либо барьер будет преодолен, и дислокации смогут продолжать движение, либо кристалл будет разрушен сильно возрастающими напряжениями возле головной дислокации.
|
Очевидным примером таких барьеров являются границы между кристаллами, т.к. ориентация кристаллических плоскостей в двух соседних зернах различна и угол разориентации между ними |
Рис. 5.14. Схема к расчету упрочнения за счет границ зерен |
может доходить до 45°. Поэтому для того, чтобы дислокации, относительно свободно перемещающиеся в плоскости скольжения одного зерна, могли перебраться во второе зерно, ей необходимо перейти на совершенно другую плоскость, что потребует дополнительной, иногда очень большой энергии. Чаще оказывается проще не непосредственный переход дислокации через барьер, а возбуждение источника Франка-Рида в кристалле по ту сторону барьера. Происходит как бы обмен сдвигом через барьер, когда граница-барьер служит вроде как местом аннигиляции разноименных отрезков петель дислокации, сближающихся из соседних кристаллов. Если барьер очень прочный и жесткий, то дислокации не всегда удается его преодолеть. Следует добавить, что границы зерен в реальных металлах часто загрязнены различными примесями, которые могут увеличить их непроницаемость для движения дислокаций.
На границе кристаллов нарушается порядок расположения атомов в кристаллических плоскостях, т.к. решетка претерпевает большие искажения. В связи с этим, уровень свободной энергии границы повышается и создается разность свободной энергии (ΔF) между границей и телом зерна. По законам термодинамики избыточная энергия тела может превратиться в работу, так как всегда будет тенденция, чтобы её уровень стал минимальным. Возникшая ΔF между телом зерна и его границей приведет к самопроизвольному процессу перемещения некоторых случайных или сознательно введенных примесей к границе кристалла, а других, наоборот, от границы в тело кристалла.
Состояние границ поликристаллического металла будет оказывать большое влияние на свойства материала. Рассматривая границы зерен, как барьер на пути движения дислокаций, отметим, что регулируя толщину и прочность этих барьеров, а также общую их длину, можно изменять в довольно широких пределах прочность, и пластичность материала.
Так, путем высокотемпературного отжига, можно достигнуть укрупнения зерна и выравнивания химического состава сплава. Снижение общей протяженности границ и уменьшение их неоднородности создает благоприятные условия для перемещения дислокаций, т.к. барьеры на пути встречаются реже и преодоление их требует меньших напряжений. Такой материал хорошо деформируется, имеет высокую пластичность и пониженную прочность.
С другой стороны, если необходимо поднять прочность металла, то необходимо создать на пути дислокаций как можно больше препятствий и увеличить их прочность.
Рассмотрим взаимодействие дислокаций с подобными препятствиями. Пусть на пути движения дислокации АВ (рис. 5.15,а) находятся мелкодисперсные твердые частицы (карбиды, нитриды, окислы и т.п.). Поскольку частица твердая, то дислокация в нее не может войти, а начнет проходить между частицами, выгибаясь, рис.5.15,б. Для прохождения дислокации между частицами необходимо напряжение, которое обратно пропорционально расстоянию между ними (l) τ = G·b/l.
|
В процессе выгибания дислокация смыкается за частицей, оставляя сзади себя петлю дислокации (пунктир - рис. 5.15,в). При прохождении следующих дислокаций количество петель вокруг частиц увеличивается, рассто- |
Рис. 5.15. Взаимодействие дислокаций с мелкодисперсными твердыми частицами |
яние (l) уменьшается, а, следовательно, увеличивается напряжение проталкивания дислокаций между частицами. Таким образом, осуществляется деформационное упрочнение сплавов. Рассмотренный механизм упрочнения был предложен Орованом и обычно носит его имя.
На практике упрочнение осуществляется путем различного рода обработок металлов и сплавов: механической, термической, термомеханической, химико-термической, легированием и т.д. Но цель всех этих обработок одна создание мелкозернистой структуры, укрепление границ кристаллов путем введения различного рода примесей и легирующих добавок, т.е. создание непреодолимых или труднопреодолимых барьеров для движения дислокаций. Таким образом, управляя барьерами, можно управлять и свойствами металлов.
Представим себе два участка кристалла, в которых имеются примерно равное количество дислокаций с разными знаками (рис. 5.16). Но в первой кристалле (рис. 5.16, а) дислокации рассредоточены беспорядочно в объеме тела, а во втором - дислокации одного знака расположены в ряды, образуя так называемые дислокационные стенки (рис. 5.16, б).
|
Оценивая энергетическое состояние кристаллов в первом и во втором случае, можно сказать, что в системе, изображенной на рис.5.16, а, каждая дислокация имеет свое собственное поле напряжений и общий запас энергии в этом кристалле будет больше, чем в кристалле, изобра- |
|
а |
б |
|
Рис.5.16. Неупорядоченная (а) и упорядоченная дислокационная структура |
||
женном на рис. 5.16, б, где поля напряжений, возникшие от наличия стенки однозначных дислокаций, накладываются друг на друга и снижают тем самым общий уровень запаса свободной энергии системы. Поэтому, согласно второму началу термодинамики, дислокационная структура в кристалле (а) должна в общем случае самопроизвольно переходить в структуру кристалла (б), т.е. принимать более упорядоченное расположение дислокации с более низким уровнем общей внутренней энергии всей системы. Такой процесс называется полигонизацией, а участки кристалла, находящиеся между стенками дислокаций, называются полигонами.
Процесс полигонизации имеет первостепенное значение в вопросах пластической деформации и прочности материала. Действительно, кристаллы, в которых находятся полигоны, будут иметь более высокое сопротивление деформации, чем отожженные, т.к. имеющиеся в них дислокации занимают устойчивое положение и для их перемещения необходимы большие внешние напряжения. Следовательно, такой материал будет иметь повышенную прочность и в то же время будет более устойчив и стабилен, чем просто наклепанный материал.
Стенки дислокации полигонизованного металла можно рассматривать как сравнительно устойчивые барьеры на пути движения дислокации.
5.7.3. Закрепление дислокаций примесями (облака Коттрелла)
Представим, что в кристалле имеется дислокация и вокруг нее достаточно равномерно распределены разрозненные атомы какого-либо растворенного элемента с небольшим атомным радиусом, перемещение которых в кристаллической решетке может протекать относительно свободно (рис. 5.17,а).
Ранее было установлено, что вокруг дислокации создается поле напряжений, причем в верхней части кристалла, где находится лишняя полуплоскость, материал находится в сжатом состоянии (–), а ниже полуплоскости сдвига действуют растягивающие напряжения (+). В силу этого начнется самопроизвольный процесс перемещения атомов примеси из сжатой верхней в нижнюю растянутую часть кристалла и, особенно, в область ядра дислокации (рис.5.17,б). Нетрудно представить себе, что запас свободной энергии системы в первом случае будет больше запаса свободной энергии системы во втором случае.
|
В результате этого произойдет некоторое выравнивание напряженного состояния вокруг дислокации и снижение общей энергии, связанной с наличием дефекта. Атомы примеси, попадая в ядро дислокации, как бы частично исправля- |
Рис. 5.17. Схема образования "атмосфер" Коттрелла. |
ют дефект кристаллической решетки и снижают общую энергию дислокации. Тем самым дислокация теряет способность к легкому перемещению. Это явление впервые было описано Коттреллом и его принято называть как процесс образования "атмосфер" Коттрелла.
Часто ядро дислокации может стать тем местом, где появляются зародыши химического соединения, т.к. вполне возможно, что атомы основного компонента и атомы из "облака Коттрелла" могут вступить в химическое взаимодействие с окружающим металлом. Тогда расположение их в ядре дислокации, где сосредоточен высокий уровень потенциальной энергии, будет способствовать образованию молекул химического соединения.
Таким образом, при рассмотрении вопросов пластической деформации металлов необходимо с точки зрения теории дислокаций, учитывать не только те внешние усилия, необходимые для последовательного разрыва атомных связей при перемещении дислокации, но и те дополнительные напряжения, которые нужны для преодоления описанных выше препятствий.