1625914689-e957c8b7a8e4003fe3539e4e0e465a65 (532400), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Фактически дислокационная линия вкристалле представляет собой границу области незавершенного сдвига и потому не можетзакончиться внутри кристалла: она либо выходит на поверхность, либо разветвляется, либо образует замкнутую петлю. Дислокации вышеописанного вида называются краевыми,так как они проходят по краю оборванного атомного слоя.Другой вид дислокаций, изображенный на рис. 1.8, а, называется винтовой дислокацией. Винтовая дислокация представляет собой частичный сдвиг в кристалле вдоль однойиз атомных плоскостей. Линия дислокации, направление которой показано большой стрелкой (рис.
1.8, а), отделяет часть атомной плоскости, где сдвиг уже произошел, от части,1.3.. Линейные дефекты кристалловаб15вгРис. 1.9. Консервативное движение краевой дислокации: а) начальное положение дислокации,б ) перестройка атомной решетки в результате сдвига, в) новое положение дислокации, г) выходдислокации на свободную поверхностьгде сдвиг еще не начинался. Вектор Бюргерса направлен вдоль нее, в отличие от краевыхдислокаций, у которых линия дислокации и вектор Бюргерса взаимно перпендикулярны.Если рассматривать не сечение кристалла, а дислокационную трубку (линию дислокации), то вектор Бюргерса для краевых и винтовых дислокаций можно определить всоответствии с рис.
1.8, б, в. Контур обходится по часовой стрелке. У краевой дислокациион целиком находится в одной атомной плоскости, тогда как у винтовой представляет собой виток спирали. Дислокационная линия часто бывает не чисто краевой или винтовойдислокацией, а состоит из участков обоих видов, благодаря чему дислокационная линияможет перемещаться не только в одной атомной плоскости, но и переходить в другие.1.3.4.Скольжение и переползание дислокаций; пластическая деформация как движение дислокацийЕсли для того, чтобы сдвинуть одну часть идеального кристалла относительно другой вдоль одной из атомных плоскостей, необходимо затратить достаточно большую энергию, то при наличии дислокации с вектором Бюргерса, направленным вдоль этой плоскости, задача многократно упрощается.
Вместо одновременного передвижения всех атомов плоскости происходит эстафетное движение, схематически изображенное на рис. 1.9.Сначала под действием приложенного внешнего напряжения разрывается связь 2–3, затемпри дальнейшем смещении уменьшается расстояние между атомами 1 и 3 и устанавливается связь 1–3, в результате чего дислокация оказывается сдвинута на одинатом. В итоге, при выходе дислокации на свободную поверхность кристалла образуется ступенька в один атом высотой. Последовательное прохождение многих дислокацийскладывается в сдвиговое перемещение одной части кристалла относительно другой. Такое движение дислокации называется скольжением, а атомная плоскость, вдоль которойоно происходит, – плоскостью скольжения.
Скольжение – быстрый процесс. Он можетпроисходить со скоростями, достигающими скорости распространения звука в материале.Скольжение еще называют консервативным движением, так как оно не сказывается наплотности материала. Пластическое деформирование при низких температурах осуществляется за счет консервативного движения дислокаций.Существует также движение, при котором направление вектора Бюргерса не параллельно плоскости скольжения (рис.
1.10). Такое движение называют переползанием, илинеконсервативным движением, оно осуществляется за счет диффузии, а потому являетсямедленным процессом, для которого, как правило, необходима высокая температура. Придвижении в сторону растягивающих напряжений необходимы дополнительные атомы длянадстраивания оборванного атомного слоя. Они берутся из окружающей решетки, так чтопо пути переползания дислокации образуются вакансии (рис. 1.10, а, б, в).
При движениив сторону сжимающих напряжений необходимо убрать лишние атомы слоя, что приво-16Глава 1. Физические основы пластического деформирования твердого телааbбвгРис. 1.10. Неконсервативное движение дислокации: а) начальное положение дислокации, б ) смещение дислокации вниз за счет перехода атома из соседнего узла решетки в ядро дислокации,в) образование вакансии возле пути переползания дислокации, г) смещение дислокации вверх засчет ухода атома из ядра дислокации в междоузельное пространствоабвгDCBADCBABAРис. 1.11.
Двойное поперечное скольжение: а) свободное скольжение дислокации до встречи спрепятствием, б ) частичный переход дислокации в поперечную плоскость вблизи препятствия,в) возвращение участка дислокации к прежнему направлению скольжения в параллельной плоскости, г) скольжение дислокации в двух параллельных плоскостяхдит к появлению междоузельных атомов на пути движения (рис. 1.10, г). Как нетрудновидеть, при переползании дислокации плотность материала либо уменьшается, либо увеличивается в зависимости от направления движения. Поэтому такое движение называетсянеконсервативным.При помощи переползания дислокация может обойти препятствие, затрудняющееее движение.
Таким образом, повышение температуры, усиливающее диффузию в материале, облегчает движение дислокаций и тем самым снижает энергию, расходуемую напластическое деформирование.1.3.5.Двойное поперечное скольжение, размножение дислокаций,источник Франка – РидаСуществует и другой способ обхода препятствия, называемый двойным поперечнымскольжением дислокации. Винтовая дислокация, имеющая две перпендикулярных плоскости скольжения, под действием внешних напряжений перемещается в одной изних (рис.
1.11, а). Когда на ее пути оказывается препятствие, участок дислокационнойлинии может перейти во вторую плоскость скольжения, перпендикулярную первой(рис. 1.11, б ). Такой переход называется поперечным скольжением дислокации. Здесь участок движется некоторое время, пока не попадает на плоскость, параллельную начальной,имеющую более благоприятные условия для скольжения.
Тогда снова происходит поперечное скольжение (рис. 1.11, в). В результате образуется три участка с закрепленнымиконцами (рис. 1.11, г), два из которых распространяются в первоначальной, а один (CD)– в итоговой плоскости.1.3.. Линейные дефекты кристалловабDDCC17вDCгдDDCCРис. 1.12. Источник Франка – Рида: а) участок линии дислокации, вышедший в параллельнуюплоскость после двойного поперечного скольжения; б ), в) последовательные этапы движениялинии дислокации с двумя неподвижными точками; г) аннигиляция двух участков линии дислокации, движущихся во встречных направлениях; д ) образование независимой дислокационнойпетлиЭтот участок CD, ограниченный в новой плоскости скольжения двумя закрепленными точками, может превратиться в источник новых дислокаций, называемый источникомФранка – Рида, имеющим механизм, проиллюстрированный на рис.
1.12. Под действиемвнешних напряжений дислокационная линия CD движется в плоскости, причем каждаяее точка движется по нормали к дислокационной линии. Поскольку ее концы закреплены,она сначала представляет собой дугу с уменьшающимся радиусом кривизны (рис. 1.12, б ),затем, когда радиус кривизны достигает половины длины первоначального отрезка, линияначинает загибаться влево от отрезка CD (рис. 1.12, в).
Сближающиеся участки в концеконцов сливаются и аннигилируют, так как имеют противоположные ориентации, так чтолиния распадается на две части, одна из которых превращается в отрезок CD, а втораяпредставляет собой замкнутую петлю, которая затем распространяется самостоятельно(рис. 1.12, г, д ). После этого процесс возобновляется.В результате работы таких источников при пластическом деформировании материала происходит размножение дислокаций. Если в недеформированном металле общаяпротяженность дислокационных трубок в 1 см3 может достигать 100 м, то в высоко деформированном металле это число может возрасти до 5 · 106 км.Зависимость предела текучести металла от количества дислокаций имеет достаточно сложный характер. Если дислокаций слишком мало, пластическое деформирование затруднено и предел текучести высок.
Повышение плотности дислокаций снижает предел текучести, но лишь до некоторого момента. Если плотность дислокаций превысит некотороепредельное значение, искажение решетки начинает затруднять скольжение дислокаций, азначит, приходится тратить больше энергии для дальнейшего пластического деформирования. Иными словами, происходит деформационное упрочнение материала до тех пор,пока плотность дислокаций не вырастет настолько, что они вообще утратят возможностьперемещения. Тогда материал станет хрупким и дальнейшее его деформирование будетсопровождаться разрушением.1.3.6.Упрочнение материала легированием и внедрением дополнительной фазыУпрочнение материала можно получить и другими способами. Широко используются два: легирование металлов и введение упрочняющей фазы.
И то, и другое мешаетскольжению дислокаций, однако механизмы этих двух видов упрочнения разные.Легирование представляет собой твердое растворение в металле атомов какого-то18Глава 1. Физические основы пластического деформирования твердого телаабвРис. 1.13. Упрочнение материала: а) примесный атом в ядре дислокации в легированном металле, б ) огибание включения скользящей дислокацией и образование дислокационной петли, в)«дислокационная шуба» вокруг включения.другого элемента, в том числе и других металлов. Когда дислокация встречается с примесным атомом, тот располагается в ее ядре (рис.
1.13, а) и дальнейшая его диффузияпроисходит только вдоль дислокационной трубки, так как этот путь для диффузии самыйлегкий. Когда в одной из атомных плоскостей в ядре дислокации находится примесныйатом, энергия дислокации в этом месте становится слишком мала для ее перемещения.Происходит блокирование дислокации. Из-за этого для начала скольжения необходимоприложить бо́льшую внешнюю силу, чем для свободной дислокации.
Когда же внешниенапряжения превышают некоторый порог, дислокация отрывается от примесного атома иначинает свободно скользить.Блокирующие дислокацию совокупности примесных атомов называют атмосферамиКоттрелла. С отрывом дислокаций от них связывают такое явление как зуб текучестина диаграмме одноосного растяжения.
Если скорость диффузии примесных атомов достаточно высока, они могут неоднократно встраиваться в ядро дислокации в процессеее перемещения, из-за чего в процессе пластического деформирования наблюдаются внезапные спады напряжения с последующим его восстановлением, т. е. реализуется процесспрерывистой текучести. При достаточной интенсивности этих процессов и достаточномобъеме деформируемого материала прерывистая текучесть может порождать в металлезвуковые колебания, достаточно сильные, чтобы их можно было услышать без специальных приспособлений. Если скорость диффузии примесей столь велика, что примесныеатомы перемещаются вместе со скользящей дислокацией, возникает такое явление как вынос дислокациями примесных атомов, попадающихся ей при перемещении, на свободнуюповерхность кристалла.Упрочняющей фазой, или включением, называют находящийся в материале объем,занятый более прочным материалом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
