Механизмы движения краевой дислокации

Скольжение краевой дислокации. Сравнение теоретической и реальной прочности кристаллов показывает, что при сдвиге одна его часть перемещается относительно другой не как жесткое целое. Сдвиг зарождается на каких-то участках плоскости скольжения и затем последовательно распространяется на всю плоскость. Поэтому в каждый конкретный момент лишь небольшая часть атомов участвует в работе против внешних сил. Механизм такого сдвига объясняет теория дислокаций.

Рассмотрим схему атомного механизма перемещения краевой дислокации при сдвиге на одно межатомное расстояние (рис.2.8). Под действием внешних сил атомы экстраплоскости А получат некоторое перемещение на расстояние, не превышающее межатомное (рис.2.8а). Вследствие этого смещенная экстраплоскость будет упруго взаимодействовать с атомами нижней части соседней полной плоскости ВС (рис.2.8б); при этом разрушится межатомная связь на участке B - C. В результате возникает новая полная плоскость АС), а функции полуплоскости передаются верхнему ряду атомов соседней, бывшей полной плоскости BC. Тем самым краевая дислокация перемещается на одно межатомное расстояние. На следующем этапе (в условиях непрерывного воздействия внешней нагрузки) будут разрываться связи DE и т.д.

Последовательность разрыва и восстановления межатомных связей при движении краевой дислокации

Многократное повторение этого процесса приведет к тому, что дислокация выйдет на поверхность кристалла и верхняя его часть сдвинется относительно нижней на межатомное расстояние - возникнет ступенька (рис.2.9).

а б в

Перемещение краевой дислокации с выходом на поверхность кристалла (а, б) приведет к сдвигу на величину межатомного расстояния " b " (в)

При таком механизме сдвига в каждый момент времени в нем участвуют не все атомы по обе стороны от плоскости скольжения, а только те, которые находятся в области дислокации. Происходит поочередное, эстафетное перемещение атомов на величину, меньшую межатомной, в результате чего дислокация скользит через весь кристалл на большие расстояния. Если при одновременном смещении одной части кристалла относительно другой (т.е. по схеме жесткого сдвига) нужно мгновенно разрывать все межатомные связи между плоскостями P и Q, то для перемещения дислокации вполне достаточно разорвать связи только между небольшим числом атомов, находящихся в непосредственной близости от дефекта (В-С). Именно этим объясняется низкое опытное значение критического напряжения сдвига.

Движение единичной дислокации с выходом на поверхность кристалла и образованием ступеньки представляет собой элементарный акт пластической деформации, при этом величина сдвига b дискретна, она кратна межатомному расстоянию. Макроскопический сдвиг набирается из множества единичных. Отражением этого является формирование больших ступенек, которые при рассмотрении под оптическим микроскопом наблюдаются в виде линий скольжения.

Дадим аналитическое описание величины пластической деформации, используя характеристики дислокации. Если одна дислокация прошла по плоскости скольжения через весь кристалл, длина которого l ₁, а высота l ₂, тогда относительная величина пластического сдвига составит

e = arctq (b / l ₂)» b / l ₂ .

В случае пересечения кристалла множеством из n дислокаций деформация будет равна nb / l ₂. Если допустить, что средняя длина пробега дислокаций l < l ₁, то тогда деформация будет составлять долю l / l ₁, т.е. равняться e = nb l / l ₁ l ₂.

Проведем несложное преобразование - числитель и знаменатель умножим на величину l ₃, равную ширине кристалла. Тогда выражение примет окончательный вид e= nb l l ₃ / l₁ l₂ l₃ = nb l l ₃ / V, где V - объем кристалла. Выделим выражение nl₃ / V =r, где r - так называемая плотность (концентрация) дислокаций, представляющая собой суммарную длину всех дислокаций, приходящихся на единицу объема кристалла. Таким образом,

e = b r l. (2.5)

Плотность дислокаций r является важной характеристикой дислокационной структуры и в сильной мере зависит от способа получения, а также технологического режима обработки материала. Так, в отожженном монокристалле количество дислокаций может составлять 10⁴ - 10⁶ см^-2. В то же время в отожженном поликристалле r достигает уже 10⁶ - 10⁸ см^-2, а в сильно деформированном состоянии - до 10¹² см^-2 (так что среднее расстояние между соседними дислокациями равно примерно 10 нм).