Перемещение дислокации

1 Для распределения растворенных атомов, в особенности образующих раствооы внедрения, важное значение имеет дислокационная структура. Обычно вокруг дислокаций скапливаются растворенные атомы (образуя «атмосферы Коттрелла»), что затрудняет перемещение дислокаций, другими словами, повышает прочность.

Образование таких дефектов затрудняет перемещение дислокаций и упрочняет металл. В общем по влиянию на свойства металла ядерное облучение похоже на наклеп.

дислокаций. При этом единственным источником упрочнения являются дислокационные диполи (образуемые при слиянии двух параллельных дислокаций противоположного знака), вызывающие направленные искажения, блокирующие перемещение дислокаций. Стадия легкого скольжения заканчивается образованием достаточно большого количества диполей и связанных с ними трехмерными клубками дислокаций, способствующих к возникновению скольжения по системам, пересекающим первичную. Другими словами, существует некоторая критическая плотность дислокаций, по достижению которой скольжение происходит по вторичным системам скольжения, что приводит к резкому росту упрочнения за счет взаимодействия пересекающихся дислокаций. При этом плотность дислокаций с увеличением деформации возрастает быстрее, чем линейная функция. Длина свободного пробега дислокаций непрерывно уменьшается, что подтверждается данными об уменьшении длины линий скольжения. На этой стадии упрочнения эффекты динамического возврата незначительны, поэтому деформационное упрочнение, как и на стадии легкого скольжения, соответствует линейному закону, то есть —- = const = E'. Величина Е" не зависит от dEj

исходит перемещение дислокаций, производящих деформацию и работу. Таким образом, дислокации обладают определенной силой и мощностью. Сила дислокации пропорциональна приложенному напряжению к вектору Бюргерса (межатомное расстояние а). Для перемещения единичной дислокации в идеальном кристалле требуется следующее (минимальное) напряжение сдвига тс:

кристалла на одно межплоскостпое расстояние (рис. 28, о), при этом справа па поверхности кристалла образуется ступенька. Следует иметь в виду, что перемещение дислокаций, образовавшихся в процессе кристаллизации, ограничено. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Движение дислокаций задерживается у точечных и линейных дефектов атомно-кристалли-ческих решеток, включений примесных атомов, облаков примесей (атмосферы Котрелла), у границ фаз, кристаллических блоков и зерен. Перемещение дислокаций тормозят поперечные дислокации и Дислокации одинакового направления, но противоположного знака. Разноименные дислокации, столкнувшись одна с другой, взаимно погашаются.

ции (наклеп) объясняется тем, что по мере развития пластической деформации плотность дислокаций увеличивается, достигая 1012 дислокаций на квадратный сантиметр. Скольжение в кристалле последовательно происходит по новым плоскостям; для его поддержания необходимо повышать напряжение. Перемещение дислокаций в различных плоскостях кристалла приводит к их пересечениям, создающим неправильное кристаллическое строение: создаются дислокационные решетки, тормозящие

перемещение дислокаций. Упругое искажение плоскостей скольжения кристаллической решетки, фрагментация зерен и увеличение числа мозаичных блоков также могут препятствовать движению дислокаций и таким образом приводить к наклепу.

Среди моделей, предложенных для объяснения деформационного упрочнения поликристаллов, модель Конрада .[63] можно считать наиболее экспериментально обоснованной. В ней предполагается, что, поскольку при данной степени деформации плотность дислокаций в мелкозернистом образце больше (рис. 3.10), то и напряжение течения такого материала будет выше. Важным моментом в модели Конрада является то, что рассматривается перемещение дислокаций на всем протяжении зерна, а не только в зонах возле границ.

тонколистовыми пластинами существенно сказывается и на характере поведения всего металла. Наиболее сильно данный эффект проявляется на отожженной стали (где размер зерна более, чем в два раза превышает толщину образца), так как в отожженной стали содержится меньше препятствий, блокирующих перемещение дислокаций в объеме металла. В серной кислоте отсутствуют поверхностные пленки и, наоборот, происходит пластифицирование вследствие хемомеханического эффекта.

Так как с ростом степени пластического деформирования число дислокаций в кристалле увеличивается, то увеличивается и число препятствий, возникающих в местах пересечения дислокаций. Поэтому рост степени деформации сопровождается упрочнением кристалла. Подобное же действие оказывают и атомы примеси: вызывая местные искажения решетки, они затрудняют перемещение дислокаций и тем самым увеличивают сопротивление кристалла сдвигу. Особенно сильное тормозящее действие оказывают границы блоков, границы зерен и обособленные включения, содержащиеся в решетке. Они резко увеличивают сопротивление перемещению дислокаций и для своего преодоления требуют более высоких напряжений.

Рис. 9. Перемещение дислокации

ным источником упрочнения являются дислокационные диполи (образуемые при слиянии двух параллельных дислокаций противоположного знака), блокирующие перемещение дислокации. Стадия легкого скольжения заканчивается образованием достаточно большого количества диполей и связанных с ними трехмерными клубками дислокаций, способствующих возникновению скольжения по системам, пересекающим первичную. Другими словами, существует некоторая критическая плотность дислокаций, по достижению которой скольжение происходит по вторичным системам, что приводит к резкому росту упрочнения за счет взаимодействия пересекающихся дислокаций. При этом плотность дислокаций с увеличением деформации возрастает быстрее, чем линейная функция. Длина свободного пробега дислокаций непрерывно уменьшается, что подтверждается данными об уменьшении длины линий скольжения. На этой стадии упрочнения эффекты динамического возврата незначительны, поэтому деформационное упрочнение, как и на стадии легкого скольжения, соответствует линейному закону, то есть dc/de = Е' = const. Величина Е' не зависит от условий растяжения, скорости и температуры испытаний и равна примерно 1О2 G. Таким образом, модуль упрочнения на стадии быстрого упрочнения примерно на два порядка больше, чем на стадии легкого скольжения. Высокая скорость упрочнения объясняется образованием большого количества коротких линий скольжения, дислокации которых создают скопление перед барьерами внутри кристалла. Такими барьерами могут быть барьеры Ломера-Коттерелла, обусловленные поперечным скольжением (когда дислокации покидают одну плотно упакованную плоскость, переходя в другую, пересекающуюся с первой). Критическое напряжение, при котором начинается стадия III, сильно зависит от температуры, поскольку поперечное скольжение требует термической активации. На стадии динамического возврата происходит массовое двои-

1 Перемещение дислокации возможно и путем переползания. Переползание — это диффузионное смещение дислокационной линии или ее части вследствие присоединения межузельных атомов или вакансий. При этом дислокации из одной плоскости переходят в другую.

Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через весь кристалл приводит к смещению (сдвигу) соответствующей части

2.6. Упрочнение. Взаимодействие дислокаций между собой и с другими дефектами. Если скольжение одной части кристалла по другой поддерживается вновь возникающими дислокациями и ничем не затормаживается, то без дальнейшего увеличения нагрузки, вызвавшей начало скольжения, после значительных пластических деформаций (сдвиги пачек относительно друг друга, приводящие к значительному общему остаточному удлинению монокристаллического образца) произошло бы разрушение. Однако полного соскальзывания одной части монокристалла по другой может и не произойти •— возникает упрочнение вследствие наличия дефектов, тормозящих или предотвращающих перемещение дислокации. Другой причиной, заторма-

Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через весь кристалл приводит к смещению (сдвигу) соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние (рис. 50, б-г), при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька. Следует иметь в виду, что перемещение дислокаций, образовавшихся в процессе кристаллизации, ограничено. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Приравняв эту величину работе тЬ, затрачиваемой на перемещение дислокации, получим необходимое для этого сдвиговое напряжение

Винтовая дислокация. Одной из разновидностей линейных дефектов кристаллической решетки является винтовая дислокация (рис. 1.8). Она формируется и перемещается при сдвиге одной части кристалла относительно другой по какой-нибудь плоскости под действием внешних сдвиговых (касательных) сил Р (перемещение дислокации АВ..Л 'В', рис. 1.8). На схеме сдвиг распространился от переднего края кристалла до линии АВ, параллельной силам Р. При этом правый край кристалла сместился вниз на параметр решетки. При дальнейшем действии этих сил АВ продолжит смещение к задней стенке е °

Перемещение дислокации путем скольжения на плоскостях скольжения требует незначительного усилия, так как ее продвижение на одно межатомное расстояние происходит путем лишь незначительной перестановки атомов в области дислокации.

Рис. 9. Перемещение дислокации

Движение краевой дислокации в плоскости частичного сдвига кинематически возможно и без влияния диффузии точечных дефектов. Эта плоскость называется плоскостью скольжения и обычно совпадает с плоскостями наиболее плотной упаковки атомов в кристаллической решетке. При скольжении дислокация может выйти на поверхность кристалла и образовать ступеньку элементарного сдвига размером Ь. Перемещение дислокации из одного устойчивого положения в другое связано с преодолением определенного энергетического барьера. Поэтому при движении дислокации в плоскости скольжения возникает сила сопротивления (сила Пайерлса) и для ее преодоления необходимо наличие внешнего касательного напряжения т (см. рис. 2.9). Для кристаллов без примесей с упругоизо-тропной простой кубической решеткой сила Пайерлса [47]