6

Theme 5. Торможение дислокаций

Дислокации всегда тормозятся под действием различных факторов. Движение дислокаций может быть полностью остановлено, но, при определенных условиях, оно может начаться вновь. Движение и торможение дислокаций оказывает решающее влияние на большое количество процессов (пластическая деформация, рекристаллизация и т.д.) и механические свойства в металле.

Сила Пайерлса

На рисунке показано изменение потенциальной энергии краевой дислокации при ее перемещении на одно межатомное расстояние в совершенном кристалле. Показан потенциальный рельеф на пять межатомных расстояний. Внизу указана длина дислокации.

При перемещении дислокации в соседнее положение (на одно межатомное расстояние) атомы начинают смещаться и нарушается симметрия межатомных сил, т.е. существует потенциальный барьер. На рисунке устойчивое исходное положение дислокации с минимумом энергии (энергетическая яма) показано впадинами, а барьер возвышенностями. Потенциальная энергия дислокации является периодической функцией. Для преодоления барьера и перемещения в соседнее положение с минимумом энергии дислокация должна повысить свою потенциальную энергию за счет действия внешней силы, которую назвали по имени авторов сила Пайерлса или сила Пайерлса – Набарро.

Величина этой силы определяется свойствами решетки, поэтому ввели понятие о силе «трения» в решетках. Из уравнения  - f = b, определяющего силу действующую на единицу длины дислокации, можно для силы Пайерлса написать f_п = b_п, где _п – минимальное касательное напряжение Пайерлса, необходимое для скольжения дислокации в совершенном кристалле. Точный расчет силы Пайерлса до сих пор не осуществлен из-за недостатка знаний, но Пайерлс создал следующее выражение:

_п = 2G/(1-μ) exp[ - 2π/(1-μ) × d/b], (20)

где d – расстояние между соседними атомными плоскостями, в которых происходит скольжение. Увеличение модуля сдвига G и d повышает, а уменьшение b снижает _п. Для ретикулярных плоскостей и направлений соотношение d/b обычно наибольшее. С этим согласуется то, что скольжение легче всего идет в ретикулярных плоскостях и направлениях.

Предполагается случай перегиба дислокации и расположения в двух соседних потенциальных ямах (рисунок – вариант А). При движении перегиба вдоль линии дислокации дислокация может полностью перейти в соседнее положение. При этом силы действуют на конфигурацию атомов только в районе перегиба. Требуемое для этого напряжение значительно меньше напряжения Пайерлса. Возможно «выбрасываение» полупетли линии дислокации в соседнюю потенциальную яму под действием термической активации (рисунок – вариант В). Расхождение перегибов разные стороны также требует меньших напряжений.

Основная идея теории дислокаций заключается в представлении о неодновременности протекания акта скольжения. Это распространяется и на перемещение самой линии дислокации.

Торможение дислокаций другими дислокациями и границами зерен

Проходя через «лес» дислокаций, скользящая дислокация испытывает торможение, вызванное целым набором причин, связанных чаще всего взаимодействием дислокаций.

Основные из них, это перетяжки дефекта упаковки при пересечении растянутых скользящих дислокаций, образование порогов на винтовых дислокациях при пересечении «леса» дислокаций, растянутые пороги на краевых дислокациях, сидячая дислокация Ломер-Коттрелла.

Эффективным барьером является граница между зернами. Например, дислокация подходит к границе (сток), захватывается ей и постепенно адсорбируется в границе. Адсорбция происходит не сразу, а дислокация имеет дальнодействующее поле напряжений. Этим полем она тормозит другую приближающуюся к границе дислокацию, а та следующую и т.д. Образуется целый ряд заторможенных дислокаций, отстоящих друг от друга и от границы на определенных расстояниях. После адсорбции первой дислокации к границе подходит следующая дислокация и начинает адсорбцию. Количество накопленных около границы дислокаций определяется соотношением скорости адсорбции и скорости подхода к границе новых дислокаций.

Пластическая деформация в поликристаллах в первую очередь начинается в благоприятно ориентированных по отношению к направлению внешней нагрузки зернах. В связи с вышесказанным развитие пластической деформации в поликристаллах происходит эстафетным способом (передачи внешней нагрузки по зернам). Возможны два механизма эстафетной передачи пластической деформации от зерна к зерну. Первый – напряжения от скопления дислокаций около границы одного зерна упруго распространяются в соседнее зерно через совместную границу. Превысив критическое напряжение в соседнем зерне они приводят в действие внутрезеренные источники дислокаций (Например, Франка-Рида) и в нем начинается деформация. Второй – возможно испускание совместной границей дислокаций в соседнее зерно.

Аналогично границам между зернами могут действовать некоторые границы субзерен.

Торможение дислокаций дисперсными частицами

Во многих промышленных сталях и сплавах присутствуют дисперсные (10-1000 нм) частицы второй фазы. Их количество может быть различно. Распределение частиц по объему может быть однородным и неоднородным. Тип частиц может быть различным.

Все это определяет их взаимодействие с дислокациями.

Механизм Орована. При определенном достаточно большом расстоянии между частицами для данной стали или сплава, дислокация под действием касательного напряжения дислокация может выгибаться между частицами. Но благодаря линейному натяжению дислокация стремиться выпрямиться. Согласно формуле (19) - _кр = Gb/l при расстоянии между частицами l для прохождения дислокации между частицами необходимо напряжение _кр или больше. При этом условии дислокация выгибается и ее части смыкаются за каждой частицей. Вокруг частицы остается дислокационная петля, а дислокация продолжает скользить в прежнем направлении. Каждая новая дислокация, проходя между частицами, оставляет вокруг них дислокационную петлю. При этом суммарная длина дислокаций в кольцах возрастает, т.е. возрастает их общая энергия и соответственно поля упругих напряжений. В результате выгибание последующих подошедших дислокаций становиться все более сложным и требует все большего _кр, что возможно до определенного предела.

Механизм локального поперечного скольжения. Такое скольжение может начаться, когда краевая дислокация при выгибании образует винтовые сегменты (на участках этой дислокации, рис.а). Затем эти сегменты совершают двойное поперечное скольжение, переходя в новую плоскость скольжения для обхода частицы (рис.б). Винтовые сегменты имеют различный знак, выгибаются навстречу друг другу и аннигилируют (рис. в). В результате позади частицы создается призматическая дислокационная петля, а на движущейся дальше дислокации – двойная ступенька (рис. г).

Механизм дальнодействующих упругих полей напряжений вокруг частиц. На дислокацию действует поле таких напряжений и она тормозится, не дойдя до частицы. Такие напряжения могут возникать из-за разницы в удельных объемах частицы и матрицы окружающего металла, из которого она выделилась и из-за разницы в коэффициентах термического расширения.

Однако, если частицы имеют небольшие размеры (обычно 200 нм и менее) и по мягкости соизмеримы с металлом матрицей, дислокации могут перерезать их при своем движении.

Чаще всего это происходит при уменьшении расстояния между частицами. При этом согласно формуле (19) - _кр = Gb/l необходимые для выгибания дислокаций напряжения могут возрасти настолько, что энергетически выгодным станет перерезание частиц. Если решетка частицы отличается от решетки матрицы, дислокация в плоскости сдвига (рис) создает сильные нарушения. Частица сдвигается на величину вектора Бюргерса дислокации, который отличается от вектора трансляции решетки частицы. В результате внутри частицы возникает высокоэнергитическая поверхность раздела. Кроме того, при перерезании увеличивается поверхность раздела между перерезанной частицей и матрицей в результате образования ступеньки. Все это может являться причиной торможения движения дислокаций.

Торможение дислокаций атомами примесей и легирующих элементов

Для лучшего понимания этого раздела целесообразно вначале рассмотреть, какие образования могут создать атомы примесей и легирующих элементов, как взаимодействуют дислокации с вакансиями и межузельными атомами.

Атмосферы Коттрелла

Поля упругих напряжений дислокации и примесного или легирующего атома взаимодействуют. В результате атом испытывает силу притяжения со стороны дислокации. Краевая дислокация имеет область сжатия и область растяжения. Примесные или легирующие атомы способны понизить напряжения в этих областях.

Атомы внедрения, как правило, имеют меньшие размеры, чем атомы основного металла, в котором они растворены. Они притягиваются к области растяжения и размещаются в ней. Если в области с совершенной решеткой они создают поле напряжений за счет искажения совершенной решетки, то здесь они даже понижают искажения области растяжения.

Атомы замещения могут иметь размеры меньше и больше атомов металла, в котором они растворены. Если их размер больше атомов основного металла, то они размещаются в области растяжения. Если их размер меньше атомов основного металла, то они размещаются в области сжатия.

Примесные атомы внедрения значительно сильнее притягиваются к дислокации, чем атомы замещения.

По разнице в значениях энергии примесного атома в положениях около дислокации и в идеальной решетке определяется энергия связи положительной краевой дислокации с этим атомом:

Е = GbR³_oε sinθ/r, (21)

где θ и r – координаты (цилиндрические) примесного атома относительно прямой линии дислокации; G – модуль сдвига; ε = (R_п – R_o)/ R_o, R_п – радиус примесного атома; R_o – радиус атома основного металла в случае раствора замещения и в случае раствора внедрения – радиус жесткого шара, который, будучи внесен в то место решетки, где расположен примесный атом, не вызовет объемных искажений.

Энергия упругого взаимодействия дислокации с примесным атомом возрастает по мере роста фактора размерного несоответствия ε.

Следует отметить вклад в энергию связи не только упругого (коттрелловского) взаимодействия (21), но и электрического, и взаимодействия с неупругими искажениями в ядре дислокации. Последнее количественно не оценено.

Область растяжения из-за избытка электронов (Плотность электронов = количество свободных электронов на один атом. Количество свободных электронов в всем объеме металла приблизительно одинаково. В области растяжения количество атомов меньше, а количество электронов осталось прежним) имеет слабый отрицательный заряд. Область сжатия имеет положительный заряд. Если атомы примеси имеют несбалансированный заряд (ион), существует электрическое взаимодействие. По оценке оно значительного меньше упругого.

Перечисленное взаимодействие атомов примесей с дислокациями приводит к образованию вдоль линии дислокации цепочки этих атомов, что называется атмосферой Коттрелла.

Возможно образование таких атмосфер и около винтовой, и около смешанной дислокации, но там действуют другие факторы.