Взаимодействия дислокации

взаимодействия дислокаций. Перемещение последних происходит не беспрепятственно, а с преодолением различных потенциальных барьеров. Повышение уровня напряжений, необходимых для преодоления барьеров при пластическом деформировании связывают с явлением деформационного упрочнения. Наряду с повышением сопротивления деформированию отмечаются факторы, снижающие напряжение текучести, связанные с понижением числа и высоты барьеров. Это явление называют возвратом. Возврат, идущий при холодной деформации называется динамическим. В зависимости от степени пластической деформации в металле образуются различные дислокационные структуры и в связи с этим на кривых упрочнения выделяют характерные стадии деформационного упрочнения: 1 - стадия легкого скольжения; 2 - быстрого (линейного) деформационного упрочнения; 3 - динамического возврата. Естественно, такое разделение условно, поскольку на каждой стадии деформирования реализуются факторы, упрочняющие и разупрочняющие металл. В зависимости от того, какие факторы проявляются интенсивнее, и производят деление на отдельные стадии деформации металла. На стадии легкого скольжения упрочнение носит линейный характер Е = const. Однако модуль упрочнения Е настолько мал (Е « 1(Н G, G - модуль сдвига), что на стадии легкого скольжения можно полагать металл неупрочняемым. На диаграмме растяжения эта стадия соответствует, так называемой, площадке текучести. Основной вклад в деформацию вносят дислокации, прошедшие через весь кристалл и вышедшие на поверхность. При этом длина свободного пробега! дислокации постоянна и достигает значительных величин (около 0,8 мм для железа).

Дислокации могут взаимодействовать друг с другом, причем дислокации одного знака отталкиваются, а разных — притягиваются. Сила взаимодействия дислокаций определяется выражением

Дислокационный подход имеет свои трудности в объяснении наблюдаемых зависимостей напряжения от деформации, а также условий разрушения материалов, что связано с протеканием сопутствующих скольжению процессов взаимодействия дислокаций [4, 8, 11], которые приводят к образованию сложных дислокационных структур и их последовательной перестройке в течение деформации [9, 10, 12].

; Таким образом, экспериментальные и расчетные результаты исследований по динамике пластической деформации на самых ранних стадиях течения позволяют сформулировать три основных условия, необходимых для проявления зуба текучести: 1) начальная плотность дислокаций должна быть низкой; 2) скорость дислокаций не должна возрастать слишком резко при увеличении напряжения и 3) дислокации должны быстро размножаться. Первое и наиболее важное условие легко удовлетворяется при блокировании дислокаций, например, в ОЦК-металлах и некоторых кристаллах за счет взаимодействия дислокаций с атомами внедрения и создания так называемых атмосфер Коттрелла (4, 52]. В ГЦК-металлах механизм

Высокая подвижность растворенного примесного атома приводит к быстрому снижению силы взаимодействия и соответственно напряжения течения, и наоборот, чем ниже подвижность, тем более эффективным будет упрочняющее влияние примеси. Таким образом, при низких температурах дислокация движется в периодическом поле упругих напряжений со стороны растворенных атомов, как бы раздвигая их за счет внешнего напряжения. По мере повышения температуры атомы примеси под действием упругого поля дислокации все более легко уходят в сторону от плоскости скольжения и их вклад в сопротивление движению дислокаций быстро снижается. При температурах порядка 0,3 Тпл. скорости дислокаций и элементов внедрения становятся соизмеримыми; [88, 89], прямой эффект примесного упрочнения снижается практически до нуля, но еще остается эффект взаимодействия дислокаций с атмосферами [4].

где апн — сопротивление кристаллической решетки, или напряжение Пайерлса — Набарро [74, 78, 79, 89]; ол — сопротивление со стороны дислокаций «леса» в момент пересечения дислокаций [8, 84, 186, 190]; сгВд — сопротивление редиссоциации винтовых дислокаций [82, 191, 192]; опэ — напряжение преодоления закрепляющих атмосфер коттрелловского типа из примесных элементов внедрения [4, 124]; 0са — сноековское торможение [85, 193, 194]; авс — упрочнение в результате взаимодействия дислокаций с вакансиями [8, 195].

Универсальность формулы (3.1) подтверждается возможностью выведения ее из соображений размерности [232]. Многочисленные экспериментальные подтверждения указанного соотношения свидетельствуют о справедливости трактовки сопротивления деформированию как результата взаимодействия дислокаций. Обычно рассматривают [66, 228] три основных типа взаимодействия: взаимодействие с упругими полями дислокаций, скользящих в параллельных плоскостях одной

Наиболее универсальным, а при определенных условиях и единственным видом взаимодействия дислокаций, имеющем место при любых температурах и деформациях металлов и сплавов, является дальнодей-ствующее взаимодействие дислокаций [233]. Наличие полей внутренних напряжений дислокационных ансамблей оказывает значительное влияние на движение дислокаций, точечных дефектов и в целом на эволюцию дислокационной структуры в процессе пластической деформации.

Поскольку закономерности процесса деформационного упрочнения, •согласно современным представлениям [66, 233, 254], сводятся к закономерностям процесса размножения и взаимодействия дислокаций, то и преобладание винтовых дислокаций в структуре ОЦК-металлов требует учета особенностей размножения винтовых дислокаций. Для винтовых дислокаций вместо дискретных источников рассматривают обычно двойное поперечное скольжение. Авторы [254] отмечают, что при этом элементом, контролирующим процесс упрочнения, является «е отдельная дислокация, а линия скольжения, а сам подход требует подробного теоретического и экспериментального исследования геометрии двойного поперечного скольжения и его роли в эволюции дислокационной структуры и механизмах упрочнения ОЦК-металлов.

Поскольку закономерности процесса деформационного упрочнения, «согласно современным представлениям [66, 233, 254], сводятся к закономерностям процесса размножения и взаимодействия дислокаций, то и преобладание винтовых дислокаций в структуре ОЦК-металлов требует учета особенностей размножения винтовых дислокаций. Для винтовых дислокаций вместо дискретных источников рассматривают «обычно двойное поперечное скольжение. Авторы [254] отмечают, что при этом элементом, контролирующим процесс упрочнения, является «не отдельная дислокация, а линия скольжения, а сам подход требует яодробного теоретического и экспериментального исследования геометрии двойного поперечного скольжения и его роли в эволюции дислокационной структуры и механизмах упрочнения ОЦК-металлов.

В основе деформационного упрочнения поликристаллов так же, как и монокристаллов, лежит процесс накопления и взаимодействия дислокаций. Результаты многочисленных экспериментов подтверждают существование и в поликристаллических материалах единой зависимости напряжения течения от плотности дислокаций, аналогичной выражению (3.1),

Вектор Бюргерса для кристалла, содержащего винтовую дислокацию, определяют аналогично. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к ее линии, а у винтовой — параллелен ей. Если контур Бюргерса охватывает несколько дислокаций,то величина его соответствует геометрической сумме векторов Бюргерса отдельных дислокаций. Квадрат вектора Бюргерса характеризует энергию дислокаций и силы их взаимодействия.

Благоприятное влияние никеля и марганца на хладостой-кость стали объясняется тем, что эти элементы в оптимальном количестве (около 1 %) увеличивают подвижность дислокаций: никель — уменьшая энергию взаимодействия дислокации с атомами внедрения, марганец — задерживая азот и снижая его содержание в атмосферах Коттрелла. Повышение в составе стали марганца, никеля приводит к понижению как работы зарождения а3, так и работы распространения ар трещины вследствие образования промежуточных игольчатых структур при охлаждении аустенита.

Было показано, что образование выделений а2-фазы увеличивает легкость зарождения трещин под действием среды и скорость распространения трещин. Такие выделения также увеличивают вероятность разрушения сколом в период субкритического роста трещин. Установлено, что в случаях, где выделения <Х2-фазы срезаются, скольжение в (а+ 02)-структурах происходит в очень узких полосах скольжения со значительными смещениями в каждой полосе. Это может указывать еще раз на важность характеристик скольжения при определении чувствительности к КР. Наблюдения [33] наводят на мысль провести эксперимент для определения важности характера скольжения или наличия Ti3Al. Этими исследователями было показано, что определенное распределение аг-фазы изменяет тип взаимодействия дислокации с частицей от срезания до огибания. Таким образом, если Ti3Al изменяет характер скольжения, то такое ее распределение должно приводить к меньшей чувствительности к КР, чем в случае одно фазных а или двухфазных структур (0+02), в которых происходит срезание частиц дислокациями. Некоторое доказательство в достоверности этого имеется, но требуются более тщательные исследования.

Высказанные выше предпосылки также корректны для описания энергии взаимодействия дислокации с поверхностью, покрытой однородной пленкой толщиной d. При Gt > G'i дислокация всегда будет притягиваться к поверхности, где Gt — модуль сдвига подложки; Gr2 — модуль сдвига пленки.

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают J_ (рис. И, б), а если в нижней — то отрицательной и обозначаютТ (рис. 11, г). Различие между положительной и отрицательной дислокациями чисто условное. Переворачивая кристалл, мы превращаем отрицательную дислокацию в положительную. Знак дислокации важен при анализе их взаимодействия.

Вектор Бюргерса для кристалла, содержащего винтовую дислокацию, определяют аналогично. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к ее линии, а в винтовой — параллелен ей. Если контур Бюргерса охватывает несколько дислокаций, то величина его соответствует геометрической сумме векторов Бюргерса отдельных дислокаций. Квадрат вектора Бюргерса характеризует энергию дислокаций и силы их взаимодействия.

Деформация возможна также в результате движения дислокаций не в плоскости скольжения, а в перпендикулярной плоскости. Неконсервативное движение или переползание краевых компонент дислокаций является результатом взаимодействия дислокации и вакансий или атомов (захвата) и протекает более медленно, чем обычное движение дислокаций, так как связано с изменением упаковки атомов и диффузионным; перемещением

решетки, окружающих дислокацию. В случае неравномерного распределения ионов возникнут искажения, из-за наличия которых также неравномерным окажется распределение электронов и наступит местное нарушение нейтральности. Недостаток электронов в уплотненных участках решетки вокруг дислокации приведет к появлению положительного заряда, а избыток электронов в областях растяжения создаст отрицательный заряд. Это распределение зарядов вдоль краевой дислокации можно представить как линейный диполь. Такая система взаимодействует с точечными дефектами, которые могут рассматриваться как носители точечного заряда. При наличии примесного иона возникает взаимодействие между его положительным зарядом и отрицательно заряженной областью дислокации. Кулоновские силы притяжения вызовут перераспределение примесей. Количественная оценка показывает, что электрическое взаимодействие в металлах слабее, чем упругое, но при rl = г0 электрическое взаимодействие может оказаться единственным, так как упругое взаимодействие в этом случае равно нулю (г0— атомный радиус основы, г\—радиус примесного атома). Например, для сплава Си — Zn (где избыточная валентность цинка равна 1) величина энергии взаимодействия дислокации с атомами примеси составляет 8- Ю-22 дж (0,005 эв).

Как было показано ранее (см гл IV п 4) легирование никелем уменьшая энергию взаимодействия дислокации с атомами примесей внед рения в кристаллической решетке железа эффективно снижает порог хладноломкости железа и повышает работу развития трещины в уело

Вектор Бюргерса для кристалла, содержащего винтовую дислокацию, определяют аналогично, В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к ее линии, а у винтовой — параллелен ей. Если контур Бюргерса охватывает несколько дислокаций, то величина его соответствует геометрической сумме векторов Бюргерса отдельных дислокаций. Квадрат вектора Бюргерса характеризует энергию дислокаций и силы их взаимодействия.

сти — линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком «_1_ », если в нижней — то отрицательной и обозначают знаком «-». Различие между дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную. Знак дислокации позволяет оценить результат их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются.