Понятие о теории дислокации

Все реальные кристаллические твердые тела (в частности, металлы) имеют большее или меньшее количество дефектов кристаллической структуры, оказывающих влияние на макроскопические свойства твердых тел.

Такими дефектами являются:

• — точечные дефекты — вакансии (узлы кристаллических решеток, незаполненные атомами), межузельные атомы;
• — одномерные (линейные) дефекты — дислокации;
• — двумерные (поверхностные) дефекты — границы зерен и двойников, дефекты упаковки и др.

Дислокациями называют линейные несовершенства или одномерные дефекты кристаллических решеток реальных металлов, представляющие собой особые нарушения кристаллического строения, связанные с отклонениями реальных кристаллов от идеального их строения.

Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные криволинейные. Возникают они в металлах в процессе кристаллизации, пластической деформации и по другим причинам, вызывающим создание полей напряжений в кристаллической решетке, приводящих к соответствующим локальным деформациям и смещениям.

Экстраплоскость — это лишняя полуплоскость атомов. Если такая дислокация находится вверху, то ее считают положительной и обозначают T, если внизу — отрицательной, и обозначают +.

Такая дислокация простирается на многие тысячи периодов решетки, ее линия не может быть прямой, она стремится замкнуться в контур. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки.

Вследствие искажения решетки в районе дислокации последняя легко может смещаться вправо или влево от нейтрального положения и устанавливать связь краевых своих атомов 3 с атомами 1, а соседняя справа (слева) полуплоскость будет при этом переходить в промежуточное положение, превращаясь тем самым в экстраплоскость и образуя дислокацию вдоль краевых атомов 2 и т. д. Таким образом, дислокация может перемещаться (вернее — передаваться как эстафета) вдоль некоторой плоскости скольжения, расположенной перпендикулярно к эстраплоскости. Дислокации в металлах можно наблюдать с помощью электронного микроскопа.

Теоретически, при элементарном пластическом сдвиге, а, если учесть силы межатомного взаимодействия для каждой пары сопряженных атомов (относительно плоскости скольжения А-А) 1 — 1', 2 — 2' и т. д. и учитывая, что в плоскости скольжения реального металлического кристалла имеется около 10¹⁴ атомов на каждый см² сечения, требуется чрезвычайно большое усилие (для технического железа).

Согласно дислокационной теории пластический сдвиг в металле следует рассматривать как процесс эстафетного перемещения дислокаций. Упрощенная схема этого процесса.

В результате наличия дислокации, в кристалле по обе стороны скольжения А-А возникает искаженное состояние кристаллической решетки с нарушением порядка идеальных связей между атомами.

В этом случае достаточно приложить небольшое усилие Р, чтобы вызвать распространение волны последовательных смещений вертикальных рядов атомов над плоскостью скольжения А-А, не превосходящих по величине одного межатомного расстояния. В результате прохождения этой волны дислокация, как своеобразная эстафета, будет последовательно передаваться рядам атомов 3, 4 … и в некоторый момент займет положение. В итоге же передачи движения от частного смещения ряда атомов 1 дислокация выйдет на поверхность и исчезнет.

Вывод — процесс сдвига в кристалле происходит тем легче, чем больше дислокаций имеется в металле. Наоборот, чем меньше в металле таких дислокаций, тем меньше возможностей для сдвига и тем прочнее металл. В металле, в котором не образуются дислокации, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения (как целого) одной части кристалла относительно другой.

В этом случае прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической.

Прочность нитевидных металлических кристаллов — так называемых «усов» — оказалась ближе к теоретической, что, согласно, предположениям, обусловлено весьма малым количеством дислокаций.

Кроме получения бездислокационных металлических кристаллов существует другой путь упрочнения металлов. Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув минимального значения при некоторой критической плотности дислокаций с_Dкр, реальная прочность вновь начинает возрастать. Это объясняется тем, что возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в различных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, т. е. в процесс пластической деформации будут вовлекаться одновременно все большее число атомов, и реальная прочность металла повысится.

Традиционными способами упрочнения металлов, ведущими к увеличению плотности дислокаций, являются механический наклеп, и термообработка. Легирование (например, внесение в решетку основного металла чужеродных атомов), создающее несовершенства и искажения кристаллической решетки, препятствует свободному перемещению дислокаций.

Однако во всех этих случаях упрочнение далеко не достигает теоретического значения. Следовательно, наличие дислокаций в реальном металлическом кристалле является причиной понижения его прочности.