Ч. Киттель - Введение в физику твёрдого тела (1127397), страница 131
Текст из файла (страница 131)
Если значение /с сравнимо с расстоянием между дислокациями и га — Ь, то Й/га = 10' и дислокационная энергия равна приблизительно 5.!0 4 эрг/см, илн около 8 эВ на атомную плоскость, через которую проходит дислокация, Максимальная энергия, которую может запасти решетка за счет искажений, вызываемых сильной пластической деформацией, например скручиванием, растягиванием или сжатием, измернлась калориметрическими методами для ряда металлов. Если деформация не слишком велика, то в решетке накапливается примерно 1О'/,, энергии, затраченной на пластическое течение. Однако если пластическое течение продолжается, то величина накапливаемой кристаллом энергии приближается к насыщению, 11аблюдаемые значения накопленной энергии соответствуют примерно 10' эрг/см'.
Если энергия дислокации пз единицу ее длины равна б 10 — 4 эрг/см, то на ! смз кристалла придется примерно 10п дислокационных линий, т. е. плотность дислокаций будет составлять в среднем 10" см — з. Иначе говоря, через квадратную площадку со стороной 100 межатомных расстояний будет проходить в среднем одна дислокация. Такая плотность дислокаций характерна для сильно деформированных металлов. Возникла проблема о наличии дислокаций в питом металле и в отожженных кристаллах. Дислокации не являются термически равновесными дефектами, поскольку возрастание свободной энергии при их образовании далеко не компенсируется имеющим при этом место ростом энтропии.
Дислокации должны поэтому образовываться неравновесным путем при затвердевании расплава и сохраняться даже после самого тщательного отжига. Механизм образования дислокаций при затвердеваиип расплава неизвестен, хотя можно предполагать, что он связан с осаждением вакансий при охлаждении кристалла.
Вакансии, осаждающиеся вдоль существующей краевой дислокации. будут поглощать часть лишней атомной полуплоскости, в результате чего будет иметь место переползание дислокаций, заключающееся в движении дислокаций под прямыми углами к направлению скольжения. Если в кристалле нет дислокаций, то он будет пересыщен вакансиями; за образованием днскообразных полостей может следовать пх захлопываиие и образование дислокационных петель, которые растут по мере дальнейшего осаждения вакансий, как показано на рис. 20.17. Другая проблема, рассматриваемая ниже, возникла в связи с необходимостью объяснить очень резкое увеличение плотности дислокаций, вызванное пластической деформацией.
Измерения плотности дислокаций обычно показывают, что в процессе деформации плотность дислокаций возрастает примерно с 10' см з до 10" см-', т. е. в 1000 раз. Е!е менее интересен и тот факт, что если бы дислокация двигалась пелностью в своей плоскости скольжения, то смещение происходило бы только иа одно 23* 707 ;*'тъ",!!15!!: микроскопический сниыок днслокационных петель, образовавшихся в результате скопления н слияния вакансий в твердом растворе А1 — 5зй Мд, закаленного от 550 'С. Спиралевидные дислокации образуются путем «переползания» ф винтовых дислокаций в результате осаждения вакансий. Увеличение -"у Х43 000. (А. Е1йцш, С. Тйогпаз.) Рнс.
20 18. Схема, иллюстрирующая предлохгегщую Франком н Ридом модель размножения дислокаций. Пока. запы последовательные этапы образования дислокационной петли из исходного отрезка ВС линии дислокации. Процесс может повторяться многократно. Рис.
20.19. Источник Франка — Рида в кремнии, декорированном медью. Снимок сделан в ипФракрасном свете. Видны две уже образовавшиеся дислокапионныс петли и третья, внутренняя, почти образовавшаяся [16]. межатомное расстояние, тогда как в действительности обычно наблюдаемое смещение составляет от 100 до 1000 межатомных расстояний. Размножение дислокаций и скольжение. Рассмотрим замкну.тую дпслокационную петлю радиуса г, которая охватывает область того же радиуса, претерпевшую сдвиг. Гакая дислокация будет частично винтовой, частично краевой, а на большей части длины — смешанного типа.
Поскольку энергия деформаций, связанных с дислокационной петлей, возрастает пропорционально длине петли, последняя будет стремиться сократиться. Однако если при этом действует скалывающее напря. жение, способствующее развитию скольжения, то петля будет стремиться расшириться. Отрезок дислокационной линии, закрепленной на конусе !рис. 20.!о), называется источниколя Франка — Рида '), и, как видно из рисунка, из него в одной и той же плоскости скольжения может развиться большое число «концентрических» дислокационных петель. Этот и аналогичные типы механизмов размножения дислокаций приводят к возникновению скольжения и к возрастанию плотности дислокаций при пластической деформации.
Прекрасный примеп дислокационного источника показан на рис. 20.19. ПРОЧНОСТЬ СПЛАВОВ Чистые криста.ллы обладают высокой пластичностью и текут прн очень малых напряжениях. Существуют четыре основных способа упрочнения сплавов, позволяющих добиться того, чтобы материал выдерживал напряжения сдвига, достигающие !О-' О.
Эти способы следующие: !) механическое торможение движения дислокаций, 2) закрепление дислокаций растворенными атомами, 3) противодействие движению дислокаций путем создания ближнего порядка и 4) увеличение плотности дислокаций, приводящее в результате к переплетению дислокаций. Таким образом, успех применения любого механизма упрочнения зависит от того, насколько эффективно удается затормозить дви. жение дислокаций. Существует еще один, пятый механизм, сущность которого сводится к удалению из кристалла всех дислокаций. Этот способ пригоден для некоторых тонких нитевидных кристаллов (усов) и будет рассмотрен ниже в разделе, посвященном росту кристаллов. Наиболее непосредственным способом создания механического торможения дислокаций является введение в кристалл ') Источник Франка — Рида в описанном здесь классическом варианте наблюдается редко.
Чаще встречаются неноторые его модификации; см., например, работу Томаса !!5). 709 Рнс. 20 20. Дислокации„ закрепленные атомами примеси а ЫКО. (Электронно-микроскопическая фотография Томаса и Уошберна.) мелких частиц другой фазы. Этот процесс имеет место при твердении стали, когда частицы карбида железа выпадают в железе, или при тверденин алюминия, где выпадают частицы А)зСгг. Случай закрепления дислокаций атомами примеси показан на рис. 20.20.
При упрочнснии путем введения в кристалл мелких частиц. другой фазы возможны два случая: либо частица может деформироваться вместе с матрицсй, для чего требуется, чтобы частица пересекалась дислокацией, либо частица не пересекается дислокацией. Если частица пе может быть разрушена дислокацией '), то напряжение, которое необходимо приложить, чтобы дислокация могла «прорваться» между частицами, расположенными на расстоянии т'. друг от друга в плоскости скольжения, определяется приблизительно соотношением а Ь и б (20.
12). Чем меньше расстояние между частицами Е, тем больше должно быть напряжение о, В самом начале процесса выпадения мелкодисперсной фазы Е велико, а прочность мала. Как только процесс выпадения в основном закончилсн и образовалось достаточно много мелких частиц, величина Ь достигает минимума, а прочность — максимума. Если выдерживать сплав при высокой температуре, то некоторые частицы начнут расти, другие— растворяться; в результате г'.
снова увеличится, а прочность уменьшится. В случае разбавленных твердых растворов прочность обусловливается закреплением дислокаций растворенными атомами. Коттрел установил, что растворимость инородных атомов вблизи дислокаций выше, чем в неискаженной части кристалла. Например, атом, стремящийся «раздвинуть» решетку кристалла, ') Частицы твердых иитерметаллических фаз, например таких, как огнеупорные окислы, не могут быть разрушены дислонациями. 7!О будет попадать в основном в область растяжения вблизи краевой дислокации.
Наоборот, атом, имеющий малый размер, будет попадать преимущественно в область сжатия вблизи дислокации, — дислокация создает в месте своего нахождения как область растяжения, так и область сжатия. В результате сосредоточения растворенных атомов вблизи дислокаций вокруг каждой дислокации при охлаждении кристалла до температур, при которых подвижность раствореингях атомов все еще велика, будет создаваться облако растворенных атомов. При достаточно низких температурах диффузия растворенных атомов резко замедляется и облако растворенных атомов закрепляется в кристалле. Когда дислокация перемещается и покидает облако растворенных атомов, энергия кристалла возрастает.
Увеличение энергии может обеспечиваться только возрастающим напряжением, действующим на дислокацию, так как оно выталкивает дислокацию из облака растворенных атомов. Таким образом, наличие в кристалле облаков растворенных атомов ведет к его упрочнению. В чистых кристаллах прохождение дислокации в плоскости скольжения не изменяет энергии связи в этой плоскости после того, как дислокация прошла через нее. Внутреннян энергия кристал.та остается прежней.
То же справедливо и в отношении неупорядоченных твердых растворов, поскольку и после скольжения растворенные атомы расположены в плоскости скольжения по-прежнему неупорядоченпо. Однако, как показано в гл. 19, большинство твердых растворов обладает ближним порядком. Атомы различных сортов располагаются в узлах решетки не бес. порядочно; они стремятся разместиться так, чтобы иметь вокруг себя избыток или, наоборот, недостаток пар атомов другого сорта. Таким образом, в упорядоченных сплавах дислокации имеют тенденцию двигаться парами: вторая дислокация чупорядочивает» местный беспорядок, создаваемый первой дислокацией.
Прочность кристаллического материала в результате пластической деформации возрастает. Это явление называется деформационным упрочнением или наклепом. Считают, что прочность возрастает из-за увеличения плотности дислокаций, что существенно затрудняет перемещение данной дислокации в плоскости скольжения, пронизанной многими другими дислокациями. Перемещение особенно затруднено, когда одна винтовая дисло кация пытается пересечь другую; при этом могут образовываться вакансии и внедренные атомы. В упорядоченных материалах часто применяется деформационное упрочнение, но область его использования ограничивается достаточно низкими температурами, при которых пе происходит отжиг.
Важным фактором, способствующим деформационному упрочнению, является не общая плотность дислокаций, а их расположение. В большинстве металлов дислокации стремятся 711 образовать ячейки областей (рис. 20.16), свободных от дислокаций, размерами порядка 1 микрона. Но если мы не можем получить однородную высокую плотность дислокаций, мы не сможем деформационно упрочнить металл до его теоретической прочности из-за скольжения в областях, свободных от дислокаций. Равномерная плотность достигается взрывной деформацией или специальными термомеханическнми обработками (17). Любой из механизмов упрочнения кристаллов может ловы- сить предел прочности до величины порядка !О-' — 1О-' 6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
