» » Дислокации в реальных структурах
22.01.2015

Прежние рассуждения о дислокациях рассматривались безотносительно к типу решетки, содержащей дислокации. Наглядное изображение дислокаций, типов дислокаций с их реакцией происходило до сих пор с помощью общепринятой кубической примитивной решетки. Однако фактически оказывается, что поведение материалов зависит от их типов решетки. Из прежних выводов можно заключить, что такая зависимость должна получаться из того, что определяющие свойства реакции дислокаций проходят специфически в зависимости от вида и положения направлений и плоскостей скольжения в определенных типах решетки. Для понимания связи между структурным построением материалов и поведением дислокаций и вытекающих из этого свойств надо рассмотреть дислокации в материалах с различными структурами решетки.
Кубическая гранецентрированная структура (расщепление дислокации, поперечное скольжение)

Важными техническими материалами, которые имеют г.ц.к.-структуру, являются алюминий, никель, аустенитные стали, медь, а также серебро и золото. Для этих материалов характерны хорошая деформируемость, а также высокая степень упрочнения при пластической деформации (см. строение кристалла, системы скольжения). Равным образом можно значительно упрочнить г.ц.к.-материалы при соответствующих способах сплавления с помощью дисперсионного твердения. Наконец, мы находим г.ц.к.-структуры также у высокожаропрочных сплавов, например у сплавов на никелевой основе. Такие сплавы имеют как о.ц.к.-, так и г.ц.к.-структуру, но г.ц.к.-модификация имеет более высокую жаропрочность.
Характерным для движений дислокаций в г.ц.к.-материалах является расщепление дислокаций и связанное с этим образование дефектов упаковки. В г.ц.к.-{111}-плоскости представляют наиболее плотно упакованные плоскости и, следовательно, плоскости скольжения. При этом -направления являются наиболее плотно упакованными направлениями скольжения. Соответственно линейная дислокация образуется в г.ц.к.-материале благодаря внедрению двух дополнительных (ИО)-плоскостей, на которых вектор Бюргерса расположен перпендикулярно к [110]-направлению.
Различные структуры (в данном случае г.ц.к.-структура) характеризуются тем, что в различных направлениях плоскости с определенным расположением атомов следуют в закономерной упаковке друг за другом. В г.ц.к.-решетке плоскости {111} обладают последовательностью упаковки ABC, ABC... (см. кристаллографическое строение).
Плоскости {110} имеют последовательность abab... Если только вдвигается дополнительная плоскость а или b, то это означает нарушение последовательности упаковки. Ho если в г.ц.к.-решетке вместо плоскости а для образования краевой дислокации вносятся две дополнительные плоскости а и b, то снова создается первоначальная последовательность (рис. 7.2.46).
Обе вдвинутые плоскости (HO) могут расщепиться (между ними закреплен дефект упаковки) и двигаться независимо друг от друга по решетке. Этому движению полудислокаций, или частичных дислокаций, соответствует при этом определенный шаг скольжения (атомный переход), который меньше вектора Бюргерса полной дислокации и при этом меньше полного вектора решетки.
Дислокации в реальных структурах

Так как скольжение проходит по очень плотно упакованным {111}-плоскостям, можно шаг скольжения наглядно отобразить с помощью движения обеих полудислокаций путем наблюдения за (Ш)-плоскостью, которая представлена построенной из твердых шаров (рис. 7.2.47). Соответственно последовательности упаковки в г.ц.к.-решетке на ямках плоскости А расположены шары плоскости В. Поскольку шары представляются как твердые тела, наглядно видно, что энергетически благоприятнее, когда сдвиг происходит не вдоль b1, так как при этом B-атомы должны были бы проходить над A-атомами. Вместо этого полудислокации расходятся, а атомы двигаются вдоль впадины (от ямки к ямке) в направлении векторов Бюргерса b2 и b3. Реакция дислокации выглядит так (см. рис. 7.2.46, 7.2.47):
Дислокации в реальных структурах

или
Дислокации в реальных структурах

Дислокации b2 и b3 называются полудислокациями Шокли (обозначение b = l [uvw] говорит, что вектор Бюргерса b показывает [uvw]-направление и имеет длину b = l√u2+v2+w2).
Благодаря расщеплению обеих полудислокаций, образующих полную дислокацию, между этими полудислокациями возникает дефект упаковки, поскольку между полудислокациями а и b последовательность упаковки {111}-плоскостей выше и ниже плоскости скольжения не совпадает. Дефект упаковки, таким образом, находится в (Ш)-плоскости. Он устраняется лишь благодаря прохождению второй полуплоскости.
Обе полудислокации проходят отдельно друг от друга по плоскости скольжения и вызывают шаг скольжения в г.ц.к.-решетке. Расстояние между полудислокациями определяется энергией дефекта упаковки. Обе полудислокации отталкивают соответственно реакции дислокации между двумя одноименными дислокациями с силой отталкивания на единицу длины
Дислокации в реальных структурах

где х — ширина расщепления.
Благодаря дефектам упаковки, существующим между ними, они, однако, притягиваются с силой f. Сила f соответствует напряжению поверхности γ дефекта упаковки (dU/dx). Общая энергия на единицу длины дефекта упаковки Ust, Н, увеличивается соответственно при росте на dx на
Дислокации в реальных структурах

Тогда справедливо для f (Н/см или Дж/м2)
Дислокации в реальных структурах

Чем больше энергия дефекта упаковки у, тем сильнее силы притяжения, действующие против сил отталкивания. У дефектов упаковки с незначительной энергией образуются поэтому большие расщепления, у дефектов упаковки с высокой энергией — небольшие (рис. 7.2.48). Расщепление дислокаций с образованием дефектов упаковки связано с жаропрочностью. Чем меньше энергия дефекта упаковки, тем меньше силы, стягивающие дислокации, тем сильнее расщепляются дислокации.
Расположение двух полудислокации с упругими дефектами упаковки представляет ограничение подвижности дислокаций, так как это образование должно двигаться как совокупность. Для винтовых дислокаций, у которых вектор Бюргерса и линейный вектор расположены параллельно друг другу, не определена какая-то плоскость скольжения, так что винтовые дислокации покидают свои плоскости скольжения благодаря так называемому поперечному скольжению и могут двигаться по другим плоскостям скольжения.
Таким образом с помощью винтовых дислокаций могут быть обойдены препятствия скольжению. В присутствии дефектов упаковки этот механизм больше невозможен. Поэтому винтовые дислокации останавливаются на той из {111}-плоскостей скольжения, в которой находится дефект упаковки.
Дислокации в реальных структурах

Сильное расщепление дислокаций означает таким образом, что смена плоскостей скольжения и преодоление препятствий скольжения должно происходить с помощью соответственно высокой термической активации. Это значит, что металл с низкой энергией дефекта упаковки, т.е. с большой шириной расщепления, обладает более высокой жаропрочностью, чем металл с высокой энергией, которая обусловливает незначительную ширину расщепления дислокаций.
Соответственно, алюминий с энергией дефекта упаковки порядка примерно 140 МДж/м2 имеет меньшую жаропрочность, чем медь с примерно 80 МДж/м2. Алюминий поэтому разупрочняется благодаря отдыху и рекристаллизации быстрее, чем медь. Повышения жаропрочности можно достигнуть тогда, когда к металлам добавляются легирующие составляющие, которые вызывают снижение энергии дефекта упаковки. Так, жаропрочность меди повышается путем присадки цинка.
Дислокации в реальных структурах

Сплав 70Cu30Zn (α-латунь) имеет уже другую энергию дефекта упаковки (15МДж/м2) и соответственно более высокую жаропрочность, чем медь. В никеле энергию дефекта упаковки можно снизить добавкой кобальта, из чего получается также повышение сопротивления ползучести (жаропрочность).
Как уже было изложено, дислокации в решетке двигаются по наиболее плотно упакованным плоскостям. В г.ц.к.-решетке это {111}-плоскости. Винтовые дислокации при появлении препятствий в своих плоскостях скольжения в состоянии их оставить и двигаться дальше по однородной плоскости скольжения. На примере кольца дислокации с вектором Бюргерса b = а/2 это особенно четко видно. Петля (рис. 7.2.49) состоит при w и у из одной положительной и одной отрицательной краевой дислокации, при х и z из право- или левосторонней винтовой дислокации. Винтовая часть в петле дислокации может покинуть первоначальную (111)-плоскость, чтобы достигнуть путем поперечного скольжения по (111)-плоскости другой равноценной (111)-плоскости. Там петля дислокаций расширяется дальше. Остающиеся участки дислокаций на (111)-плоскости являются краевыми дислокациями. Замена краевыми дислокациями одной на другую равноценную плоскость скольжения происходит путем переползания дислокаций. Этот процесс требует термической активации.
Кубическая объемно центрированная структура

Важными представителями о.ц.к.-металлов являются α-Fe, ферритные стали Mo, Ta, V, Cr, W, Nb. В этих металлах происходит лишь очень незначительное расщепление дислокаций. Это выражается в высокой энергии дефекта упаковки, примерно 200-1000 МДж/м2. Соответственно металлы с о.ц.к.-структурой имеют более низкую жаропрочность, чем г.ц.к.-структуры.
Направления скольжения являются в о.ц.к.-металлах наиболее плотно упакованными [111]-направлениями. Плоскости скольжения {110}, {112} и {123} - есть плоскости, которые содержат [111]-направления. Для характеристики о.ц.к.-металлов важно, что то же -направление пересекается тремя (110), тремя (112) и шестью (123)-плоскостями. Этот факт значительно облегчает переход винтовых дислокаций из одной плоскости на другую путем поперечного скольжения. В о.ц.к.-структурах направление скольжения поэтому определяется при многократных заменах плоскостей скольжения в основном лишь благодаря направлению напряжения главного сдвига и не так сильно определяется положением плоскостей скольжения и направлений скольжения.
Линии скольжения на поверхности таких металлов появляются благодаря этому часто не так, как в г.ц.к.-металлах, а волнообразно. Множество систем скольжения и выраженная способность к поперечному скольжению ведут к значительно меньшему упрочнению о.ц.к.-металлов в зависимости от деформации в холодном состоянии, чем в г.ц.к.-металлах. Разупрочнение с ростом температуры, напротив, у о.ц.к.-металлов сильнее, чем у г.ц.к.-металлов, вследствие небольшого расщепления дислокации в о.ц.к.-металлах (рис. 7.2.50).
Дислокации в реальных структурах

Возможной основой для понимания поведения о.ц.к.- и г.ц.к.-металлов при переменной нагрузке является различный режим движения дислокаций под нагрузкой на растяжение — сжатие. У о.ц.к.-металлов наблюдалось, что ,при нагрузке на сжатие некоторые плоскости скольжения приводятся в движение, как при нагрузке на растяжение. Это означает, что для движения определенных дислокаций необходимо соответственно зависимое от направления напряжение сдвига. Это многообразие действующих систем скольжения можно рассматривать как причину того, что в о.ц.к.-металлах отдельные системы скольжения истощаются не так скоро, как в г.ц.к.-металлах и других структурах (гексагональных металлах).
Нагромождение дислокаций до критических напряжений, которые, наконец, инициируют микротрещины, происходит соответственно у о.ц.к.-металлов не так четко, как у . г.ц.к.-металлов. В о.ц.к.-металлах стабилизируются структуры дислокаций благодаря их полям напряжения, прежде чем в отдельных плоскостях скольжения можно прийти к критическим нагромождениям при сменных нагрузках и к появлению трещин. Соответственно можно при сравниваемых условиях наблюдать, что в техническом смысле о.ц.к.-материалы являются прочными на усталость, в то время как у г.ц.к,-материалов это бывает только при определенных условиях. Они вообще считаются длительно прочными. Ферритные стали поэтому для переменных нагрузок подходят лучше, чем аустенитные стали, чистый алюминий и медь.
Гексагональная структура

Важными металлами в г.п.у.-структуре являются Mg, Zn и Cd. Система скольжения этих структур находится в базисных плоскостях в самом плотно упакованном направлении. Здесь сравнивается [110]-направление в (Ш)-плоскости в г.ц.к.-металлах с (0001)-плоскостью в [1120]-наПравлении в г.п.у.-структуре. Так как там происходит расщепление дислокации и так как ллоскости скольжения не пересекаются другими наиболее плотно упакованными плоскостями, то поперечное скольжение почти исключено.
Соответственно можно вывести свойства металлов, имеющих г.п.у.-структуру. Они очень сильно упрочняются при деформации, т.е. являются плохо деформируемыми. Так, например, цинк должен подвергаться прокатке на особых прокатных станах, у которых деформация происходит с помощью рабочих валков с небольшими диаметрами (ср. строение кристаллов, системы скольжения).
Неблагоприятному режиму деформации соответствуют высокая чувствительность к надрезу гексагональных металлов и связанная с этим склонность к хрупкому разрушению. Опираясь на сравнение о.ц.к. и С-ЦК.-металлов относительно их предела усталости, можно понять поведение гексагональных металлов под динамической нагрузкой. Ограничение движения дислокаций одной главной системой скольжения обусловливает ее преждевременное истощение под переменной нагрузкой. Поведение при пределе усталости гексагональных металлов оказывается, таким образом, сравнительно ненадежным.
Как и при всех других структурах, возможна определенная модификация поведения этих металлов при механической и механико-термической обработке благодаря легированию, которое вызывает изменение дефектности; возможна и целенаправленная обработка материала.