Основные положения теории дислокаций
Механизм скольжения в плоскости скольжения монокристалла (или кристаллита) в основных закономерностях хорошо объясняется теорией дислокаций. Мы не будем излагать теорию дислокаций в полном объеме, так как в специальном курсе она дается на достаточно высоком уровне.
Остановимся на самых общих представлениях о дислокациях. Первоначально теоретически, а теперь и экспериментально показали, что в плоскости скольжения кристалла всегда существуют различные дефекты, несовершенства строения кристаллической решетки. Они бывают точечными, линейными, поверхностными и объемными. Наибольшее значение имеют линейные дефекты.
На рис. 1.6 приведены типы линейных дефектов. Как видно (см. рис. 1.6, а, б), часть кристалла содержит лишнюю кристаллографическую плоскость А. Вершина этой плоскости — линия ВГ — называется краевой дислокацией. Под действием касательного напряжения т, перпендикулярного плоскости А, краевая дислокация перемещается параллельно вектору нагрузки к границе кристалла.
Винтовая дислокация (см. рис. 1.6, в, г) под напряжением т перемещается в плоскости скольжения перпендикулярно действующей нагрузке.
Как краевая, так и винтовая дислокации перемещаются из центральных слоев кристалла к его поверхности, образуя на поверхности смещение атомов на величину межатомного расстояния, которое и представляет собой элементарный акт пластической деформации кристалла.
В процессе деформации в кристалле рождаются новые дислокации, и движение их носит лавинообразный характер. Это приводит к значительным деформациям кристалла без нарушения его сплошности. На ранних стадиях скольжения дислокации движутся практически без увеличения прикладываемого в плоскости скольжения напряжения т. На поверхности металла видны линии скольжения, отражающие эффект движения дислокаций. Затем дислокации встречают на своем пути препятствия в виде точечных дефектов, отдельных дислокаций и их скоплений. Формируются стенки, а затем жгуты и более сложные структуры групп дислокаций. Количество препятствий в процессе деформации увеличивается, поэтому дислокации могут двигаться при увеличении касательных напряжений т, т. е. при возрастании предела текучести. Увеличение
Рис. 1.6. Типы дислокаций: краевая (а) и винтовая (б), объемная (в) и плоская (г) картины
предела текучести металла при деформации называется наклепом. На следующей стадии деформации образуются полосы скольжения, представляющие собой группы линий скольжения. Скольжение сосредоточивается в полосах скольжения, а в промежутках между полосами оно прекращается. Интенсивность возрастания т уменьшается. При таком скольжении образуются сложные дислокационные структуры. Существенное влияние на них оказывает наличие в сплаве второй фазы, дефектов, примесей и т. п. Реальный металл состоит, как правило, из зерен разного фазового состава, внутри которых могут присутствовать частицы еще каких-то соединений. Традиционная теория дислокаций усложняется за счет учета влияния различных факторов на структуру дислокаций, их конфигурацию и характер перемещения. Строится теория, учитывающая перемещения и взаимодействия скоплений дислокационных структур, которая точнее описывает деформацию реальных материалов.
Академик А.А. Бочвар в 1956 г. опубликовал качественную кривую, характеризующую прочность монокристалла в зависимости от количества несовершенств в нем (рис. 1.7). При отсутствии дефектов теоретическая прочность монокристалла на два порядка выше, чем в реальных металлах. Обычная прочность проката или отливки находится где-то вблизи минимума этой кривой.
Прочность металла можно повысить, либо уменьшая, либо, наоборот, увеличивая количество дефектов в нем. Первый путь связан с получением весьма чистых металлов в виде единого кристалла без зерен и межзеренных прослоек. Доказано, что без дислокаций получение монокристалла принципиально невозможно, но можно сократить их до минимума. Полученные путем медленного вытягивания из расплава тонкие нити металла — “усы”— содержат небольшое число несовершенств, и их прочность приближается к теоретической прочности монокристалла. В настоящее время “усы” используются как упрочняющие добавки к сплавам для создания композиционных высокопрочных материалов. Такие материалы очень дороги и не могут использоваться в больших объемах.
Рис. 1.7. Влияние количества несовершенств кристалла на его прочность
Второй путь связан, наоборот, с увеличением несовершенств кристаллической решетки. Путем легирования металла создаются точечные дефекты или включения новых фаз, которые искажают кристаллическую структуру и препятствуют движению дислокаций, упрочняя материал. За счет термообработки можно не только увеличить количество дислокаций в металле, но и выстроить их в определенные структуры. Именно определенные конфигурации структур дислокаций и других несовершенств повышают прочностные свойства металла. Неудачные или хаотические конфигурации, наоборот, могут привести к разрушению металла, поскольку дислокация — это микродефект металла, а их неудачное скопление может привести к макродефекту, т. е. к трещине и браку.
Практически требуемые структуры дислокаций достигаются путем сочетания пластической и термической обработки. Строго дозированная термомеханическая обработка приводит к высокой прочности при достаточно высокой пластичности металла и широко используется в промышленных технологиях.
