» » Взаимодействие и торможение дислокаций сплавов
08.02.2017

Несмотря на сложность физической картины взаимодействия дислокаций, можно установить некоторые общие для всех случаев этого взаимодействия особенности, знание которых позволяет разобраться в сущности явления.
Равновесным положением атомов считают их пребывание в узлах кристаллической решетки, когда равнодействующие внутренних сил, приложенных к атомам, равны нулю. В этом положении атомы обладают минимальной потенциальной энергией. Чтобы вывести атомы из равновесного положения — переместить в новые точки пространства, необходимо затратить работу на преодоление внутренних сил, так как при смещении атомов равнодействующие становятся не равными нулю. При этом атомы и вместе с ними решетка в целом приобретают повышенную энергию. Такое неравновесное состояние характеризуется искажением кристаллической решетки — искривлением ее линий, плоскостей, изменением расстояний между атомами.
Вокруг дефектов решетка искажена, ее строение нарушено; следовательно, атомам и участку решетки вокруг дефектов свойственна повышенная энергия.
Имея в виду сказанное, можно в большинстве случаев сравнительно просто дать качественную оценку взаимодействия дислокаций между собой и с дефектами кристаллической решетки. Для этого достаточно представить, что произойдет с решеткой при сближении дислокаций друг с другом пли с другими дефектами, а также представить, как при этом будет изменяться строение решетки; будут ли усиливаться ее искажения, уменьшаться пли совсем исчезнут.
Самопроизвольными при взаимодействии будут те процессы, которые приводят к уменьшению искажений решетки; иначе говоря, возвращают атомы в равновесные положения — в состояние минимальной потенциальной энергии. И лишь под действием внешних сил можно представить осуществление процессов, которые ведут к усилению искажений и, значит, к увеличению потенциальной энергии решетки.
При увеличении искажений до определенного предела сопротивление этим изменениям усиливается, так как с увеличением расстояния между атомами до определенного предела силы, стремящиеся вернуть их в исходное положение, возрастают. Для преодоления действия сил связи, т. е. чтобы достичь больших искажений решетки, требуется увеличить внешние силы — повысить нагрузку на металл. Следовательно, если при взаимодействии дислокаций друг с другом или с другими дефектами наблюдается увеличение искажений решетки, то возрастает сопротивление деформации.
Примеси, случайно попавшие в металл или специально введенные, могут находиться в нем в виде отдельных атомов, группировок атомов или в виде обособившихся включений. Некоторые атомы примесей образуют твердые растворы. Возникновение скоплений — особых группировок чужеродных атомов происходит при определенных условиях, которые создаются термической обработкой. Подобные группировки могут не иметь поверхности раздела между ними и твердым раствором или иметь ее частично. При очень незначительных размерах скоплений расположение в них атомов мало отличается от расположения атомов в решетке основного металла (матрицы). В этом случае поверхность раздела не образуется.
Независимо от степени измельчения всякие посторонние включения являются препятствиями при движении дислокаций; они тормозят их. Сущность одной из причин торможения заключается в том, что искаженная решетка вокруг включений взаимодействует с деформированной решеткой, окружающей дислокацию. При взаимодействии искажения усиливаются. Поэтому дислокация испытывает повышенное сопротивление своему движению.
Так как характер искажений (знак и протяженность области распространения) зависит от особенностей взаимодействия атомов примесей и основного металла, то, следовательно, на упрочнении будет сказываться природа принеси. Вместе с тем одна и та же примесь может также вызывать различной степени торможение дислокаций — в зависимости от размеров се включений. Изменение тормозящего действия в зависимости от размеров включений объясняется прежде всего способами преодоления примесей движущейся дислокацией. Остановимся на этих способах.
Если в плоскости скольжения расположены отдельные чужеродные атомы или группы их, не имеющие поверхности раздела, то дислокация при определенном уровне напряжений может пройти сквозь эти препятствия: «переползти» через них. Механизм перемещения сквозь такие препятствия заключается в том, что чужеродные атомы движутся вместе с дислокациями. Повышение сопротивления движению в этом случае связано с прохождением дислокации через искаженную область решетки и с возрастанием сил межатомной связи в присутствии чужеродных атомов. Если же включение обособлено (имеет поверхность раздела), то дислокация сквозь него пройти не может, так как посторонние включения имеют кристаллическое строение, совершенно отличное от строения металла, в котором они находятся. Часто по ним дислокация вообще не может пройти, о чем свидетельствует малая пластичность металла.
Обойти такое включение ниже или выше дислокация также не может, так как ее скользящее движение осуществляется под действием касательных напряжений только вдоль плоскости скольжения. Для обхода снизу или сверху дислокации пришлось бы перейти из-за сравнительно большого объема включения на очень отдаленные выше или ниже лежащие атомные плоскости. Поэтому преодоление препятствия в этом случае может осуществляться только путем его огибания по бокам вдоль плоскости скольжения. Схема такого преодоления препятствий показана на рис. 13.
Взаимодействие и торможение дислокаций сплавов

Таким образом, в случаях, когда включения имеют поверхности раздела, дислокация преодолевает их, проходя между ними. Сопротивление движению здесь связано с увеличением длины дислокации (при образовании выступов и затем петель), на что требуется дополнительная работа деформации.
Легко теперь представить, что при уменьшении расстояния между включениями сопротивление движению дислокаций будет увеличиваться. Это можно объяснить тем, что с увеличением количества препятствий при уменьшении расстояния между ними один и тот же отрезок дислокации претерпит больше изгибов и оставит после себя больше дислокационных петель. Это означает возрастание работы деформации, осуществляемой внешними силами.
Расстояния между включениями определяются их размерами. При одном и том же общем содержании примеси в металле чем мельче включения, тем их больше. Следовательно, в одном и том же объеме металла они будут располагаться более близко друг к другу.
Таким образом, при измельчении включений сопротивление деформации увеличивается, так как при этом возрастает количество препятствий на пути движения дислокации по плоскости скольжения. Кроме того, при этом оказывается блокированным больше плоскостей скольжения.
Изменение размеров включений приводит, как уже отмечалось, к изменению их природы. При уменьшении размеров включений вместо включений со своей решеткой, имеющих поверхность раздела, возникают группировки чужеродных атомов, сохраняющие решетку основного металла. Преодоление группировок дислокациями может происходить «переползанием». Однако пока размеры группировок сравнительно велики и промежутки между ними достаточно большие, дислокации будут преодолевать их, проходя между ними так же, как и в случае обособленных включений, так как такой способ преодоления препятствий требует меньших напряжений, чем «переползание». Поэтому с уменьшением размеров скоплений чужеродных атомов сопротивление деформации будет продолжать возрастать, так как промежутки между скоплениями будут уменьшаться.
При достижении группировками определенных, очень небольших размеров внешние напряжения становятся достаточными для преодоления этих препятствий «переползанием». Изменению способа преодоления препятствий способствует то, что промежутки между препятствиями становятся очень малыми, и чтобы «протолкнуть» дислокации, между ними требуются более высокие напряжения, чем для «переползания».
В связи с изменением способа преодоления препятствий дальнейшее уменьшение их размеров приводит уже не к увеличению, а к уменьшению торможения дислокаций — снижению прочности. При уменьшении размеров группировок требуется уже меньшее напряжение, чтобы переместить дислокации сквозь такие препятствия.
Зависимость торможения дислокаций, а значит, и сопротивления деформации от размеров включений примесей показана на рис. 14. При размерах включении в пределах области I чужеродные атомы образуют не имеющие поверхностей раздела группировки, которые дислокации преодолевают «переползанием». В области размеров II дислокации преодолевают препятствия, перемещаясь между ними. Природа препятствий во второй области может быть различна; в начале се чужеродные атомы еще могут образовывать сравнительно большие группировки, не имеющие поверхностей раздела или лишь частично обособленные; при дальнейшем укрупнении скоплений возникают включения с полной поверхностью раздела. По схеме также видно, что в каждой из областей при ином способе преодоления препятствий (в области I «проталкиванием» между препятствиями, в области II — «переползанием») для перемещения дислокаций потребовались бы более высокие напряжения (показано пунктирными линиями).
Если дислокация не может пройти через частицу, перерезав ее, то она ее обходит и оставляет вокруг частицы петлю дислокации. Таков один из возможных механизмов пластической деформации (сдвиг в плоскости чертежа) в присутствии включений второй фазы. Оценить предел текучести при упрочнении включениями можно по формуле
σт = Gb/d,

где G — модуль сдвига;
b — вектор Бюргерса дислокации (описывает величину и направление скольжения, связанного с дислокацией);
d — расстояние между частицами.
Эта формула верна до определенного максимального значения σт. По достижении максимума σт уменьшается, хотя d продолжает также уменьшаться, т. е. максимальное упрочнение получается при определенном расстоянии между частицами, которое называется критическим.
Распад большинства алюминиевых твердых растворов происходит по двухфазной схеме, что свидетельствует о замедленной диффузии. В этом случае продуктами распада твердого раствора являются ультрадисперсные частично когерентные выделения вторых фаз (зоны Гинье — Престона) или некогерентные частицы вторых фаз (зоны Гинье — Престона — Багаряцкого). Местами зарождения выделений вторых фаз являются, как правило, дефекты кристаллической структуры. Энергетические условия такого зарождения благоприятны, так как свободная энергия несовершенства может быть уменьшена за счет образования зародыша выделения. Кроме того, скорость диффузии в несовершенных областях кристаллической решетки намного выше, чем в идеальной решетке. Однако в общем случае возможные места выделений определяются температурой. При повышенных температурах, когда диффузионные процессы более активированы, энергетически выгодно образование выделений главным образом на границах зерен и блоков; при более низких температурах выделения возникают большей частью внутри зерен твердого раствора.
При выделении частицы возникает энергия упругой деформации как самой матрицы, так и выделившейся частицы. Это обусловлено различием удельных объемов кристаллических структур матрицы и частиц выделения. Форма выделений определяется совместным вкладом деформации решетки и поверхностного натяжения в термодинамику процесса. Пластинчатая и игольчатая формы являются оптимальными в условиях значительного увеличения энергии деформации и поверхностной энергии.
Тип и форма выделений в алюминиевых сплавах простых систем показаны в табл. 8, составленной по данным, приведенным в работе.
Взаимодействие и торможение дислокаций сплавов

Большие искажения кристаллической решетки матрицы происходят в сплавах систем Al—Mg, Al—Zn—Mg, так как, по экспериментальным данным И.Ф. Колобнева, Н.И. Варича и Л.Ф. Коломейцевой, удельный объем фаз AlaMg2 и MgZn2 в несколько раз превышает удельный объем алюминия.
Зоны и промежуточные частично когерентные фазы создают препятствия движению дислокаций. На их преодоление (обычно путем «переползания») дислокацией затрачивается определенная энергия. При прохождении дислокации через зоны или когерентные частицы внутри них возникает высокоэнергетическая поверхность раздела с дефектом упаковки, что является причиной торможения дислокаций. Этим обусловлен эффект упрочнения сплавов, в структуре которых в результате термической обработки имеет место большая плотность зон или промежуточных частиц. Однако метастабильная область их существования в алюминиевых сплавах ограничена сравнительно низкими температурами.
Наибольшая роль в упрочнении при повышенных напряжениях принадлежит дисперсным выделениям некогерентных частиц вторых фаз, которые создают устойчивую микрогетерогенность внутри зерен твердого раствора. Выделение большого количества равномерно расположенных внутри зерен твердого раствора ультрадисперсных частиц (на возможных плоскостях скольжения) тормозит движение дислокаций. Ввиду того что эти частицы некогерентны и значительно прочнее мягкой и вязкой алюминиевой матрицы, дислокации не могут пересекать их. Причина прироста прочности в этом случае — образование петель дислокаций вокруг частиц, что препятствует их движению из-за локального искажения прилегающих участков кристаллической решетки. Это вынуждает дислокации или проталкиваться между частицами, или «переползать» через них, что в обоих случаях связано с большой затратой энергии.
Согласно данным работы, деформационное упрочнение за счет дисперсных частиц выражается уравнением
Взаимодействие и торможение дислокаций сплавов

где С — постоянная, 3;
G и b — параметры решетки матрицы (соответственно модуль упругости и вектор Бюргерса);
f — объемная доля частиц второй фазы;
N — число дислокационых петель вокруг частицы;
r — радиус частицы.
Таким образом, упрочнение зависит в основном от объемной доли (т. е. числа) дисперсных частиц и их размера. Рост частиц приводит к уменьшению f и увеличению r, что отрицательно сказывается на эффекте упрочнения.
Рост частиц обусловлен термодинамическими факторами. По окончании выделения частицы из твердого раствора поля напряжений, окружающие частицу, медленно релаксируют. Частицы с неблагоприятным отношением величины поверхности к объему становятся термодинамически неустойчивыми и могут растворяться, за счет чего происходит рост более крупных частиц, сопровождающийся уменьшением иx свободной энергии вследствие уменьшения запаса поверхностной энергии. Однако процесс роста частиц регулируется скоростью диффузии атомов растворенных легирующих элементов.
Большой интерес представляет взаимодействие дислокаций с легирующими атомами с образованием так называемых атмосфер Коттрелла. Это взаимодействие заключается в том, что атомы в атмосферах, именуемых еще облаками и возникающих вокруг дислокаций, по-иному осуществляют свое влияние на них, чем отдельные чужеродные атомы, о влиянии которых мы уже говорили.
Рассматриваемый случай взаимодействия дислокаций с атомами легирующих элементов заключается в том, что дислокации как бы привлекают атомы, создавая вокруг себя облака или атмосферы. Облако этих атомов закрепляет дислокации. При этом в случае образования растворов замещения атомы меньших размеров (по сравнению с атомами основного металла) скапливаются в зоне сжатой решетки, атомы больших размеров — в зоне растянутой решетки.
Атмосфера Коттрелла образуется в результате взаимодействия силовых полей (упругих полей напряжений) дислокации и растворенных атомов легирующих элементов и примесей. Это приводит к тому, что последние притягиваются к искаженным под действием дислокации локальным участкам кристаллической решетки: к растянутой зоне, если атомный радиус легирующего элемента или примеси больше атомного радиуса алюминия (rл.э≥rA1) или к сжатой зоне (если rл.э≤rA1). Такое притяжение обусловлено выигрышем энергии, т. е. уменьшением свободной энергии кристаллической решетки. При этом вдоль дислокации образуется скопление инородных растворенных атомов — атмосфер Коттрелла.
Возможность образования облаков вокруг дислокаций была предсказана теоретически, а затем установлена экспериментально. Прямым подтверждением их существования является наблюдаемое в микроструктуре выделение частиц примесей около мест выхода дислокаций на поверхность металла. В то время как в основном объеме решетки концентрация примесей сравнительно мала, в облаках около дислокаций в результате скопления растворенных атомов она может превзойти предел насыщения. Это приводит после определенной выдержки к выделению частиц, как бы оседающих на дислокации. Такие частицы обнаруживаются под микроскопом.
Роль облаков в упрочнении можно оценить, учитывая характер взаимодействия дислокаций с облаком. При своем движении дислокация или тащит облако с собой, или вырывается из него и дальше перемещается вне окружения примесей. Возможность того или другого случая определяется скоростью деформации, а также природой основного и растворенного металла. Чтобы протолкнуть дислокацию сквозь облако, требуются повышенные напряжения, так как силы связи между атомами возрастают при увеличении содержания примесей в растворе. Облако же представляет собой твердый раствор повышенной концентрации.
Следовательно, вырваться из атмосферы дислокация может двумя путями: 1) при приложении напряжения, превышающего силу связи дислокаций с атмосферой; 2) при повышении температуры, способствующей рассасыванию атмосферы из-за увеличения диффузионной подвижности растворенных атомов. Поэтому легирование алюминия металлами с малым коэффициентом диффузии, повышающими силу межатомной связи в твердом растворе, способствует удерживанию атмосфер и тем самым повышает прочность алюминиевых сплавов.
Следовательно, дислокации могут оказывать существенное влияние на все процессы и фазовые превращения, протекание которых связано с явлениями диффузии. В процессах распада пересыщенных твердых растворов дислокации играют особую роль в связи с тем, что они могут уменьшать работу образования зародышей новой фазы, являясь областями преимущественного се выделения. Теория дислокаций описывает характер взаимодействия дислокаций с дискретными частицами других фаз и вскрывает причины упрочнения стареющих сплавов.
Таким образом, величина упрочняющего действия дефектов кристаллического строения определяется интенсивностью торможения дислокаций. С этой точки зрения можно, по-видимому, считать, что наибольшее упрочняющее действие должны оказывать поверхности раздела, на которых меняется ориентация плоскостей и направлений скольжения, а также неподвижные пороги, образующиеся при пересечении дислокаций. С увеличением неоднородности строения металла, увеличением количества дефектов прочность его должна возрастать.
Из этого весьма краткого и неполного перечисления процессов и явлений, в которых дислокации играют важную, а часто определяющую роль, следует, что почти все вопросы, являющиеся предметом металловедения, неразрывно связаны с теорией дислокаций.