Линейные дефекты. 
Материаловедение и технология материалов

К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и в основном дислокации. Размеры линейных дефектов малы в двух измерениях, а в третьем измерении их протяженность может быть соизмерима с длиной кристалла.

Рассмотрим самый распространенный линейный дефект — дислокации. Дислокации — это особый вид дефектов в расположении атомов кристаллической решетки. По своей природе они отличаются от других линейных дефектов — цепочек вакансий или межузельных атомов. Образуются дислокации в результате локальных смещений кристаллографических плоскостей, происходящих в кристаллической решетке зерен на различных технологических этапах их формирования.

Первые понятия о дислокациях были изложены в середине 1930;х гг. физиками Е. Орованом, М. Поляни, Дж. Тейлором для описания механизма пластической деформации. В последующие годы исследование дислокаций бурно развивалось, была создана теория дислокаций, которая сыграла большую роль в науке о прочности металлов.

Основными видами дислокаций являются краевые и винтовые.

На рис. 1.6 представлена схема образования краевой дислокации в результате сдвига верхней части кристалла относительно нижней на одно межатомное расстояние. Сдвиг произошел не по всей плоскости скольжения, а охватил только ее часть ABCD. Границей сдвига является линия Л В (рис. 1.6, а). В результате сдвига в верхней части кристалла появилась лишняя полуплоскость, которая называется экстраплоскостыо (на рис. 1.6, б эта плоскость заштрихована и обозначена 5_Э). Па этом рисунке более наглядно виден край этой экстраплоскости А—А, который и является линейным дефектом — краевой дислокацией. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком _L, а если экстраплоскость находится в нижней части кристалла, то ее называют отрицательной и обозначают знаком Т. Знак дислокаций имеет значение при анализе их взаимодействия: дислокации одного и того же знака отталкиваются, а дислокации с противоположными знаками притягиваются. Причем в последнем случае может произойти аннигиляция (взаимоуничтожение) дислокаций. Под воздействием напряжения т краевая дислокация АВ может передвигаться вдоль плоскости скольжения F_c (справа налево) до тех пор, пока не достигнет границы зерна или блока.

Вокруг дислокации возникает поле упругих напряжений, вызванное тем, что выше дислокации (края экстраплоскости) параметры кристаллической решетки несколько сжаты, а ниже — растянуты. Это объясняется уплотнением атомов над дислокацией и более свободным их расположением под дислокацией.

Количество дислокаций характеризуют относительным параметром, называемым плотностью дислокаций. Плотность дислока;

Рис. 1.6. Схемы сдвига (а) и образования краевой дислокации в кристаллической решетке (б).

ций р представляет отношение суммарной длины всех линий дислокаций X/, см, к объему кристалла V, см³: р = X//V, см^-2.

Плотность дислокаций может сильно различаться даже для одного металла после различных видов его обработки. Например, в отожженном металле или сплаве р = 10'-ИО⁸ см^-2, а после пластической деформации она может возрасти до р = 10^и-И0¹² см ². От плотности дислокаций зависят физико-механические свойства металла. Например, с повышением р прочность и электросопротивление повышаются, а с уменьшением р эти характеристики снижаются.

Другим видом дислокаций является винтовая. Винтовая дислокация также формируется при сдвиге одной части кристалла относительно другой. На рис. 1.7 представлена схема образования винтовой дислокации. Под действием силы Р сдвиг распространился от переднего края кристалла до линии ЛВ, параллельной силе Р. При этом правый край кристалла сместился вниз на параметр решетки. При дальнейшем действии силы Р линия ЛВ продолжит свое смещение к задней стенке кристалла Л’В'. Вокруг текущего положения линии ЛВ кристаллографические атомные плоскости-поверхности оказываются изогнутыми. Если проследить ход этих плоскостей от левой части кристалла к правой вокруг линии ЛВ сверху вниз, то окажется, что все они, т. е. атомные слои-плоскости, представляют собой одну винтовую поверхность, закрученную вокруг ЛВ.

Сама линия ЛВ и является винтовой дислокацией, вокруг которой образуются искажения в кристаллической решетке и формируется поле упругих напряжений. Если винтовая дислокация образована вращением по часовой стрелке, то ее называют правой, а если против — левой.

Характеристикой искажения кристаллической решетки, вызванного линейными дислокациями, является вектор Бюргерса. Он представляет сумму всех упругих смещений решетки вокруг дислокации.

Для определения вектора Бюргерса необходимо сравнить искаженную (с дислокацией) и идеальную кристаллические решетки. Для этого строят контур ЛВСБ вокруг дислокации в искаженной.

Рис. 1.7. Схема образования винтовой дислокации.

Рис. 1.8. Схема определения вектора Бюргерса.

решетке (рис. 1.8). Этот контур содержит по двум вертикалям четыре параметра решетки, а по горизонталям четыре параметра вверху и три параметра внизу по отношению к дислокации. В сравнении е идеальной решеткой, в которой по всем вертикалям и горизонталям контур содержит одинаковое количество параметров (в данном случае по четыре), отрезок АЕ будет характеризовать сумму всех упругих смещений решетки под воздействием дислокации. В рассматриваемом случае отрезок АЕ, равный по модулю параметру решетки, и является вектором Бюргерса, который обозначается символом Ь. Если контуром обвести несколько дислокаций, то общий вектор Бюргерса будет равен сумме векторов каждой дислокации. Упругая энергия вокруг дислокации пропорциональна квадрату вектора Бюргерса.

От вектора Бюргерса зависит способность дислокаций к перемещению, а следовательно, и сопротивление металла пластической деформации. Чем больше вектор Бюргерса, тем выше сопротивление пластической деформации.