» » Взаимодействие дислокаций
22.01.2015

С возрастающей плотностью дислокаций их взаимные влияния и их реакции с другими дефектами решетки четко определяют поведение материалов. Направление протекания реакции подчинено при этом стремлению всей системы принять состояние самой низкой энергии. Взаимодействие дислокаций между собой и действие других дефектов решетки на дислокации будут соответственно протекать всегда так, что упругие напряжения в решетке составят наименьшую величину. Чтобы вызвать реакции между дефектами в решетке, они должны двигаться в свои взаимные зоны влияния.
Это возможно благодаря внешним силам — преимущественно при не диффузионно управляемых движениях дислокаций и благодаря термическим взаимодействиям, которые ведут к диффузионно управляемым процессам движения. He диффузионно управляемые реакции в техническом смысле не зависят от времени. Они являются преимущественно определяющими для механических характеристик при комнатной температуре и ниже. При более высоких температурах становятся весьма важными для поведения деталей зависящие от времени, т.е. диффузионно управляемые процессы. Сюда относятся процессы ползучести и процессы разупрочнения, например отдых и рекристаллизация.
Пониманию реакции между различными дефектами решетки и их связей должно способствовать нижеследующее рассмотрение вида, направления и кинетики реакции дислокаций.
Дислокация — дислокация

Взаимодействие между дислокациями определяется стремлением структуры дислокаций занять такое положение, которое ведет к минимуму общей энергии структуры. Изменение упорядоченности структур дислокаций в направлении минимальной упругой энергии обусловливается реакциями, которые определены энергией линии дислокаций. Для понимания этих реакций исходят из общего выражения (7.2.30) для линейной энергии
UL = cGb2.

Стремление сетки дислокаций прийти к энергетически благоприятной конфигурации выводится из выражения для энергии на единицу длины так, что векторы Бюргерса двух или нескольких взаимодействующих дислокаций являются определяющими для реакций между дислокациями. Если, например, две одноименные параллельные краевые дислокации расположены на одной плоскости скольжения на достаточном расстоянии друг от друга (рис. 7.2.25, а), то их общая энергия в охватывающем их объеме может быть вычислена по
Взаимодействие дислокаций

При сближении этих дислокаций с векторами Бюргерса b упругая энергия может объединяться в области объема, охватывающей обе дислокации, с линейной энергией общей дислокации, которая имеет вектор Бюргерса 2b. Таким образом, из (7.2.44) получается выражение
Взаимодействие дислокаций

Элемент объема, который содержит две дислокации с векторами Бюргерса b в непосредственной близости, должен был бы обладать двойной энергией, как элемент объема, который содержит обе дислокации на расстоянии, при котором они больше не влияют непосредственно друг на друга. Это значит, что сближение двух одноименных дислокаций дает увеличение линейной энергий. В стремлении получить расположение с минимальной общей энергией одноименные дислокации, следовательно, будут взаимно отталкиваться. При разноименных дислокациях с векторами Бюргерса b и -b, напротив, они взаимно притягиваются, так как эта реакция ведет к уменьшению линейной энергии (рис. 7.2.25, б).
Взаимодействие дислокаций

Если в общем случае принять, что параллельные краевые дислокации находятся на плоскостях скольжения, которые занимают в кристаллите различные направления (рис. 7.2.26), то так же, как у двух краевых дислокаций на общей плоскости скольжения, происходит реакция дислокаций, ведущая к снижению энергии.
Дислокации притягиваются, если
Взаимодействие дислокаций

Они отталкиваются при условии
Взаимодействие дислокаций

Аналогично (7.2.46) и (7.2.47) даны предпосылки для притяжения дислокаций и связанное с этим понижение энергии, если
Взаимодействие дислокаций

Это означает, что
Взаимодействие дислокаций

Наоборот, дислокации будут отталкиваться в различных направлениях скольжения, если
Взаимодействие дислокаций

Таким образом, в этом случае должно быть
Взаимодействие дислокаций

Для случая, когда φ изображает угол между векторами Бюргерса, действуют условия (7.2.46) и (7.2.47):
Взаимодействие дислокаций

Объединение одноименных краевых дислокаций (см. рис. 7.2.26) происходит при условии, что φ>90°. При φ<90° происходит отталкивание с уменьшением общей линейной энергии.
Рассуждения о силах, действующих между краевыми дислокациями, находящимися на плоскости скольжения с различными направлениями, можно свободно перенести на реакции между дислокациями разного характера. При этом следует исходить из того, что в общем дислокации имеют смешанный характер между винтовой и краевой дислокацией (γ-дислокация). Вектор Бюргерса смешанной дислокации bγраспадается на вектор Бюргерса для доли краевой дислокации bI и для доли винтовой дислокации bO (рис. 7.2.27).
Взаимодействия между γ-дислокациями проходят соответственно их долям с bI и bO аналогично выражениям (7.2.48) и (7.2.50). Так как векторы Бюргерса для чистой краевой дислокации перпендикулярны друг к другу, в случае, если дислокационные линии параллельны, упругая энергия со сближением этих дислокаций не изменяется. В объеме содержится в качестве упругой энергии всегда сумма линейной энергии обеих дислокаций.
Для понимания ряда металловедческих реакций и механизмов важно рассмотреть поведение сил между дислокациями на параллельных плоскостях скольжения в зависимости от расстояния. Две разноименные краевые дислокации на параллельных плоскостях скольжения могут не просто уничтожаться, а давать такую конфигурацию, которая образует ряд дефектов (рис. 7.2.28). Относительно реальных решеток такие компоновки дислокаций связаны с дефектами упаковки (см. п. 7.2.5, г.ц.к.-структура).
Взаимодействие дислокаций

Если две одноименные краевые дислокации находятся на параллельных плоскостях скольжения, то прежде всего при их сближении силы отталкивания возрастают, чтобы затем после прохождения максимума обеспечить стабильное положение ядер дислокаций друг над другом (рис. 7.2.30). Таким образом, из краевых дислокаций образуются границы зерен с малым углом наклона, а из винтовых дислокаций границы зерен с малым углом поворота (см. границы зерен).
При отдыхе и рекристаллизации стремление к описанному стабильному расположению является движущей силой для полигонизации.
Взаимодействие дислокаций

Математически характеристика силы получается из изображения сил между двумя параллельными одноименными краевыми дислокациями I и II в прямоугольных координатах (см. рис. 8.2.29). Затем создается сила в направлении скольжения (Fx) из отношений для полей напряжения вокруг краевой дислокации в прямоугольной системе координат по
Взаимодействие дислокаций

Если силы Fx действуют на расстоянии х (отнесенном к единицам у), то получается отталкивание для всех значений х≥у. Для х≤у создается притяжение. Fx=0 для х=0 и X = У.
Из зависимости сил по отрезку х (в единицах у) образуется стабильность расположений, которые размещают одноименные краевые дислокации друг над другом (см. рис. 7.2.30).
В реальных кристаллитах линии дислокаций образуют сетки. Линии дислокаций при этом никогда не кончаются внутри кристалла. Поскольку они простираются от границы кристаллита до границы кристаллита, они могут, между прочим, образовать также разветвления, так называемые узлы дислокаций. Для таких узлов дислокаций действует правило, что сумма векторов Бюргерса дислокаций, идущих к узлу дислокаций и идущих от узла, равна нулю. Если рассматривается дислокация с вектором Бюргерса b1, которая разветвляется на узле на две линии дислокаций с векторами Бюргерса b2 и b3, то имеет место соотношение
Взаимодействие дислокаций

или в общем
Взаимодействие дислокаций

Векторы Бюргерса при этом определены так, что контур Бюргерса проводится соответственно по часовой стрелке вокруг линий дислокаций. Часовая стрелка (направление) относится при этом к направлению, проводимому от узла (рис. 7.2.31).
Правило разветвления для узла дислокаций интересно постольку, поскольку оно указывает на определенные аналогии между учением об электричестве и закономерностями учения о дислокациях. Правило разветвления на узле дислокаций соответствует правилу разветвления Кирхгофа в учении об электричестве. Линии дислокации можно до некоторой степени воспринимать как линии упругих токов. Вектор Бюргерса представляет тогда векторный аналог скалярной силы тока. Линию дислокаций можно соответственно понимать как "упругий ток".
Взаимодействие дислокаций

Подвижность дислокаций и, следовательно, напряжение сдвига, необходимое для деформации кристаллита, зависят, как уже было неоднократно показано, от плотности дислокаций.
Взаимное влияние дислокаций происходит не только благодаря их окружающим далеко простирающимся упругим полям напряжений, но и также благодаря процессам пересечения между линиями дислокаций в различных плоскостях скольжения. Линии дислокаций, двигающиеся в одной плоскости скольжения, рассекают, следовательно, линии дислокаций в другой плоскости скольжения, перекрещивающиеся с плоскостью скольжения. Такие линии дислокаций, пересекающие плоскости скольжения, называются дислокациями "леса" (рис. 7.2.32). Вид и количество пересечений между линиями дислокаций определяют в основном прочность материалов в зависимости от их деформации. Далее также и разупрочнение определяется видом предшествующих реакций дислокаций при процессах пересечения.
Благодаря процессу пересечения на линиях дислокаций возникают ступени (пороги), которые соответственно своему типу влияют на кинетику движения дислокаций. Свойства ступеней зависят от характера пересекающихся линий дислокации. Если пересекаются две краевые дислокации, векторы Бюргерса которых стоят под прямым углом друг к другу (рис. 7-2.33), то на линии дислокации A-B возникает ступень, равная величине вектора Бюргерса другой дислокации.
Взаимодействие дислокаций

Ступень линии дислокации A-B соответствует сдвигу в плоскости Pxy перпендикулярно к линии дислокации A-B (см. рис. 7.2.33). На другой линии дислокации X-Y не возникает ступени, так как плоскость Pxy благодаря вектору Бюргерса линии дислокации A-B сдвигается только параллельно линии дислокации X—Y. Повышение энергии системы при описанном процессе пересечения соответствует (при пренебрежении упругим взаимодействием) удлинению линии дислокации A-B на величину вектора Бюргерса линии дислокации X—Y.
Если две перпендикулярные друг к другу линии дислокации пересекаются с параллельными векторами Бюргерса, то каждая из этих линий дислокации смещается на вектор Бюргерса (рис. 7.2.34). Обе линии дислокации получают при этом ступень. Благодаря описанному процессу пересечения (см. рис. 7.2.34) происходит, таким образом, двойное повышение энергии, как при процессе перерезания (см. рис. 7.2.33) двух линий дислокаций с векторами Бюргерса, перпендикулярными друг к другу.
Взаимодействие дислокаций

С помощью описанных процессов пересечения в плоскостях скольжения линий дислокаций возникают ступени, которые соответствуют порогам на, линиях дислокации. При движении таких линий дислокаций в плоскостях скольжения со ступенями в описанных случаях (см. рис. 7.2:33 и 7.2.34) векторы Бюргерса расположены так, что ступени могут скользнуть в плоскости скольжения для обычного, т.е. "консервативного", движения дислокаций. В случае на рис. 7.2.33 порог дислокаций имеет, как и остальная линия дислокаций, краевой характер. В случае рис. 7.2.34 ступени имеют виновой характер. Во всех этих случаях получается, что ступени в краевых дислокациях не влияют на характер движения дислокаций. Движение дислокаций, таким образом, остается консервативным.
Иначе обстоит дело при пересечении винтовых дислокаций с краевыми и при пересечении винтовых дислокаций с другими винтовыми. Необходимо сначала рассмотреть краевую дислокацию в плоскости, которая проходит спирально вокруг линии винтовой дислокации (рис. 7.2.35).
Благодаря процессу пересечения в краевой дислокации возникает порог краевого характера и в винтовой дислокации также порог краевого характера (рис. 7.2.35).
Взаимодействие дислокаций

Если пересекаются две винтовые дислокации, то возникают пороги краевого характера (рис. 7.2.36). Участки с краевым характером могут, однако, консервативно двигаться только на таких плоскостях скольжения, которые образуются линейным вектором и вектором Бюргерса (рис. 7.2.37). Порог дислокаций с краевым характером в винтовой дислокации может, таким образом, двигаться, лишь покидая свою плоскость и переходя в другую плоскость скольжения (P'PR'R, см. рис. 7.2.37), т.е. вдвинутая полуплоскость дислокации (Q1QP'P, см. рис. 7.2.37) должна удлиниться или сократиться. Такое движение, обозначенное как неконсервативное, возможно лишь благодаря созданию или уничтожению вакансий и/или внедренных атомов (ср. п. 7.2.4, дислокация — нуль-мерные дефекты).
Взаимодействие дислокаций

Линии винтовой дислокации, которые при движении пересекают в реальных кристаллах ряд дислокаций леса, имеют возрастающее количество порогов. Эти пороги представляют точки закрепления, которые можно протащить через решетку неконсервативно только с помощью повышенного напряжения. Линия винтовой дислокации, имеющая много порогов (рис. 7.2.38, а), будет выравниваться под внешним напряжением между двумя порогами в направлении скольжения (рис. 7.2.38, б). При достаточно высоком напряжении затем ступеньки будут протаскиваться, что характерно для краевой дислокации, при этом возникают или вакансии, или атомы междоузлий (рис. 7.2.38, в).
Взаимодействие дислокаций

Возрастающее с ростом процессов пересечения число порогов, которые должны стягиваться вместе при дальнейшем движении дислокаций, представляет вклад в упрочнение материала с ростом деформации в холодном состоянии. Так как с увеличением температуры происходит увеличение концентрации вакансий и атомов междоузлий, а движение порогов связано с образованием таких нуль-мерных дефектов, то можно понять вклад повышения температуры в облегчение деформации материала. Закрепления дислокаций устраняются, таким образом, термической активацией (ср. вакансии и атомы междоузлий).
Дислокация — нуль-мерные дефекты (переползание дислокаций, конденсация вакансий, старение)

Как указывалось, термически активированные процессы при наличии дислокаций характеризуются взаимодействием между дислокациями и нуль-мерными дефектами решетки.
К таким процессам относятся механизмы ползучести, процессы старения, механизмы выделения (дисперсии) и охрупчивания, а также часть процессов при отдыхе и рекристаллизации, которые следуют законам диффузии (соотношение Аррениуса). Примером для взаимодействия между дислокациями и нуль-мерными дефектами может служить описание переползания дислокаций (неконсервативное движение) и сегрегации примесных (посторонних) атомов на дислокациях (облака Коттрелла).
В то время как при низких температурах движение дислокаций ограничивается преимущественно скольжением в соответствующих плоскостях скольжения, при более высоких температурах возрастающее значение придается переползанию дислокаций (неконсервативное движение). Вследствие переползания внедренная плоскость, благодаря которой образуется краевая дислокация (ср. рис. 7.2.3), покидает свою плоскость скольжения. Внедренная плоскость при этом удлиняется или укорачивается (ср. рис. 7.2.37). Такое изменение внедренной плоскости происходит с помощью процессов диффузии. Правило гласит, что при консервативном движении дислокации в окружении перемещающейся линии дислокации не происходят изменения объема (ΔК=0). Неконсервативное движение дислокации, напротив, связано с изменением объема (ΔV≠0).
Взаимодействие дислокаций

Внедренная плоскость уменьшается благодаря диффундированию атомов в окружающую решетку, причем вакансии уничтожаются или, что мало вероятно, возникают атомы междоузлий. Увеличение внедренной плоскости происходит благодаря отложению атомов, причем образуются вакансии (рис. 7.2.39). В каждом случае неконсервативное движение дислокаций требует термической активации и определяется диффузионными процессами. При реальных дислокациях вследствие перемещения вакансии происходит не равномерное укорачивание или удлинение вдвинутых плоскостей, а образуются пороги дислокаций (рис. 7.2.40). Таким образом оказывается, что даже без деформации кристаллитов и связанных с этим процессов пересечения возможно образование порогов дислокаций благодаря термической активации. Эти пороги дислокаций при высоте шага решетки имеют энергию активации приблизительно Usp = 1*10в-15 Дж.
Пороги дислокаций находятся, таким образом, так же как и нуль-мерные дефекты, в термодинамическом равновесии.
Дислокации можно ассоциировать в известном смысле с ростом или уменьшением нуль-мерных дефектов решетки. При этом речь может пойти при этих дефектах решетки как о вакансиях, так и об атомах междоузлий (см. старение).
Взаимодействие дислокаций

При высоком избытке вакансий, насколько он, например, может иметь место в закаленных материалах, из конденсирующих вакансий могут образоваться также петли (диски) дислокаций (рис. 7.2.41). Такие петли дислокаций расширяются благодаря удлинению изогнутой линии дислокации. Это удлинение возникает вследствие расположения вакансий в зоне, окруженной линией дислокации. Таким образом происходит переползание дислокации, причем линия дислокации действует как сток вакансий. Также благодаря переползанию такая петЛя дислокаций может стягиваться, благодаря чему возникает аналогично предписанию источник вакансий.
Взаимодействие дислокаций

Дислокации в смешанных кристаллах при термической активации могут вступать во взаимодействие также с посторонними атомами (химическое разупорядочение). Реакция между дислокациями и посторонними атомами происходит особенно четко при наличии атомов междоузлий, если они имеют большой коэффициент диффузии (радиус постороннего атома меньше радиуса атома матрицы). Действие таких реакций между дислокациями и посторонними атомами особенно выражено в нелегированных металлах с низким содержанием посторонних атомов. Техническое значение имеет, например, реакция между дислокациями и атомами азота в нелегированных сталях с низким содержанием углерода, поскольку эти стали используются как листовые заготовки для глубокой вытяжки.
Лист для глубокой вытяжки, нагретый после холодной прокатки, рекристаллизуясь, имеет дислокации, в полях напряжения которых во время отжига осаждается диффундирующий азот (рис. 7.2.42, а). Атомы азота окружают линии дислокации, как облако (облако Коттрелла), и снижают напряжение вокруг дислокаций. Если такой материал деформируется, то дислокации должны сначала освободиться из этих облаков посторонних атомов, чтобы быть свободно подвижными (рис. 7.2.42, б). Выведение из облака дислокаций в зону решетки, свободной от посторонних атомов, означает повышение напряжений в решетке в окрестности дислокаций.
Взаимодействие дислокаций

На диаграмме напряжение — деформация этот процесс выражается в том, что прежде всего при достижении верхнего предела текучести ReН дислокации освобождаются из своих облаков Коттрелла (рис. 7.2.43, а). Свободно скользящие дислокации двигаются через решетку при более низких напряжениях нижнего предела текучести ReН и вызывают неравномерную деформацию. При этом образуется область площадки текучести при пределе текучести, т.е. происходит деформация без повышения приложенных напряжений. Эта площадка соответствует негомогенному скольжению при избытке напряжений, после того как дислокации освобождены из своих облаков Коттрелла.
Взаимодействие дислокаций

Материал с таким выраженным пределом текучести образует соответственно своей неоднородной пластической деформации полосы текучести (полосы Людерса) (рис. 7.2.44). Если лист из такого материала согнуть, то он трескается во многих местах. Это негомогенная деформация, и соответствующее образование полос Людерса можно объяснить тем, что в областях со случайными пиками напряжений движение дислокаций концентрируется и протекает лавинообразно в соответствии с направлением напряжения главного сдвига.
Такие области структуры, в которых выделяется нестабильное движение дислокаций, могут быть обусловлены внешними (геометрическими) или внутренними (структурными) пиками напряжений. Равномерная деформация под действием упрочнения материала происходит тогда, когда дислокации в целом подвижны и благодаря механизмам размножения как уже было описано раньше, плотность дислокаций повышается в соответствии с напряжением и деформацией.
Для того чтобы сделать материал равномерно деформируемым и без полос текучести, необходимо устранить ярко выраженный предел текучести. Это можно осуществить, если уже перед деформацией материала дислокации освободить из облаков посторонних атомов и до некоторой степени перевести в готовность к деформации. Это достигается благодаря малым деформациям, с помощью так называемой дрессировки, например, листа для глубокой вытяжки. Деформация дрессировки составляет от 1 до 3 %. Благодаря такой обработке устраняется верхний и нижний предел текучести (см. рис. 7.2.43, б). Переход от упругой области в пластичную происходит непрерывно, а уровень предела текучести снижается соответственно существующей ("Gleitbereit-schaft") подвижности дислокаций.
Взаимодействие дислокаций

Благодаря старению материала примесные атомы диффундируют к дислокациям и вновь образуют вокруг них, как при отжиге и в недеформированном состоянии, облака Коттрелла. Соответственно благодаря такому старению устанавливаются снова верхний и нижний пределы текучести и получается диаграмма напряжение — деформация, как и у недрессированного материала до отжига (см. рис. 7.2.43, а). Прекращение старения возможно благодаря новой дрессировке.
Исходя из представлений о термически активированных процессах скорость старения увеличивается с повышением температуры. У технического листового металла для глубокой вытяжки устойчивость против старения достигается вследствие возможно низкого содержания диффундируемых атомов междоузлий. Так, диффузию азота можно замедлить путем задержки азота на алюминии за счет образования нитрида алюминия. Соответственно стали, раскисленные алюминием, весьма устойчивы против старения.
В то время как при комнатной температуре скорость движения дислокаций значительно больше, чем скорость диффузии облаков посторонних атомов, при более высоких температурах (100-300 °C) и при медленных скоростях деформации скорости движения дислокаций и диффузии посторонних атомов могут сближаться. Благодаря этому дислокации не освобождаются от облаков посторонних атомов, как было описано, чтобы двигаться свободно, а облака посторонних атомов диффундируют к движущимся дислокациям и снова блокируют их. Этот эффект динамического деформационного (Reck) старения, известный также как эффект Портевена - Ле-Шателъе, проявляется тем отчетливее, чем больше скорость диффузии диффундирующих посторонних атомов сближается со средней скоростью дислокаций.
Динамическое деформационное старение появляется выше некоторой критической пластической деформации, т.е. при достижении критической плотности дислокаций. Эта критическая плотность дислокаций обусловливает соответственно сокращенные пути диффузии диффундирующих посторонних атомов. Эффект наблюдается лишь выше предела текучести в пластической области диаграммы напряжение - деформация. Он характеризуется неравномерным зубчатым ходом диаграммы напряжение — деформация в пластической области соответственно чередующемуся блокированию и освобождению дислокаций (рис. 7.2.45, а). С уменьшение скорости нагружения и с повышением температуры этот эффект наступает раньше при соответствующих меньших пластических деформациях (рис. 7.2.45, б). Он предполагает наличие посторонних атомов с достаточно высокими коэффициентами диффузии в решетке матрицы. Эффект наблюдается в сплавах железа с углеродом, а также в сплавах на алюминиевой и медной основе.
Взаимодействие дислокаций