2.2. Дислокація, її утворення та види
Основними лінійними дефектами є дислокації. Апріорне уявлення про дислокації вперше використане в 1934 році Егоном Орованом і Бруком Тейлором у ході дослідження пластичної деформації кристалічних матеріалів, для пояснення великої різниці між практичною і теоретичною міцністю металу.
Дислокація – це дефекти кристалічної будови, що є лініями, вподовж і поблизу яких порушено характерне для кристалу правильне розташування атомних площин.
Прості види дислокацій – краєві і ґвинтові.
Краєві дислокації є лініями, вздовж яких обривається усередині кристала край «зайвої» напівплощини (рис. 2.3 а).
τ D С A B b
а) б)
Рис. 2.3. Краєва дислокація (а) і механізм її утворення (б)
Більшість дислокацій утворюються шляхом механізму зсуву. Її утворення можна описати за допомогою наступної операції. Надрізати кристал по площині Авсd (рис. 2.3 б), зрушити нижню частину щодо верхніх на один період ґрат в напрямі, перпендикулярному АВ, а потім знов зближувати атоми на краях розрізу внизу.
Найбільші спотворення в розташуванні атомів у кристалі мають місце поблизу нижнього краю екстраплощини. Праворуч і ліворуч від краю екстраплощини ці спотворення малі (декілька періодів ґрат), а вздовж краю екстраплощини спотворення тягнуться через увесь кристал і можуть бути дуже великі (тисячі періодів ґрат).
Якщо екстраплощина знаходиться у верхній частині кристалу, то краєва дислокація – позитивна, якщо в нижній, то – негативна. Дислокації одного знаку відштовхуються, а протилежні притягуються.
Інший тип дислокацій був описаний Іоханнесом Мартінусом Бюргерсом, і отримав назву ґвинтова дислокація.
Ґвинтова дислокація утворюється за допомогою часткового зрушення по площині Q навколо лінії EF (рис. 2.4). На поверхні кристалу утворюється сходинка, що проходить від точки Е до краю кристала. Таке часткове зрушення порушує паралельність атомних шарів, кристал перетворюється на одну атомну площину, закручену по ґвинту у вигляді порожнистого гелікоїду навколо лінії EF, яка представляє межу, що відокремлює частину площини ковзання, де зрушення вже відбулося, від частини, де зрушення не починалося. Вздовж лінії EF спостерігається макроскопічний характер області недосконалості, в інших напрямах її розміри складають декілька періодів.
Q D A B C E F
Рис. 2.4. Механізм утворення гвинтової дислокації
Якщо перехід від верхніх горизонтів до нижніх здійснюється поворотом за годинниковою стрілкою, то дислокація права, а якщо поворотом проти годинникової стрілки – ліва.
Ґвинтова дислокація не пов'язана з якою-небудь площиною ковзання, вона може переміщатися по будь-якій площині, що проходить через лінію дислокації. Вакансії і дислоковані атоми до ґвинтової дислокації не стікають.
У процесі кристалізації атоми речовини, що випадають із пари або розчину, легко приєднуються до сходинки, що приводить до спірального механізму зростання кристалу.
Лінії дислокацій не можуть обриватися всередині кристалу – вони повинні або бути замкнутими, утворюючи петлю, або розгалужуватися на декілька дислокацій, або виходити на поверхню кристалу.
Дислокаційна структура матеріалу характеризується щільністю дислокацій.
Щільність дислокацій у кристалі визначається як середнє число ліній дислокацій, що перетинаються усередині тіла площею 1 м2, або як сумарна довжина ліній дислокацій в об'ємі 1 м3:
(см-2;
м-2)
Щільність дислокацій змінюється в широких межах і залежить від стану матеріалу. Після ретельного відпалу щільність дислокацій складає ρ = 105–107 м-2, у кристалах із сильно деформованою кристалічною решіткою щільність дислокацій досягає ρ = 1015–1016 м–2.
Щільність дислокації значною мірою визначає пластичність і міцність матеріалу (рис. 2.5). Мінімальна міцність визначається критичною щільністю дислокацій ρ = 105–107 м-2.
Якщо щільність менше значення ρ, то опір деформації різко зростає, а міцність наближається до теоретичної. Підвищення механічної міцності досягається створенням металу з бездефектною структурою, а також підвищенням щільності дислокацій, що ускладнює їх рух. У даний час створені кристали без дефектів – ниткоподібні кристали завдовжки до 2 мм, товщиною 0,5–20 мкм – «вуса» з міцністю, близькою до теоретичної: межа міцності для заліза σВ = 13000 МПа, для міді σВ = 30000 МПа. За зміцнення металів збільшенням щільності дислокацій, вона не повинна перевищувати значень 1015–1016 м-2, інакше утворюються тріщини.
Рис. 2.5. Вплив щільності дислокацій на міцність
Дислокації впливають не тільки на міцність і пластичність, але і на інші властивості кристалів. Зі збільшенням щільності дислокацій зростає внутрішнє напруження, змінюються оптичні властивості, підвищується електроопір металу. Дислокації збільшують середню швидкість дифузії в кристалі, прискорюють старіння й інші процеси, зменшують хімічну стійкість, тому в результаті обробки поверхні кристалу спеціальними речовинами в місцях виходу дислокацій утворюються ямки.
Дислокації утворюються в процесі побудови кристалів із розплаву або газоподібної фази, зрощення блоків із малими кутами розорієнтованості. За переміщення вакансій усередині кристалу, вони концентруються, утворюючи порожнини у вигляді дисків. Якщо такі диски великі, то енерґетично вигідне «закриття» їх з утворенням по краю диска краєвої дислокації. Утворюються дислокації під час деформації матеріалу, в процесі його кристалізації і термічної обробки.