Дефекты кристаллической решетки

Один философ сказал, что творчество - это способность увидеть в жизни то, чего еще в ней нет, но что может быть, если приложишь усилия.

Г.Тейлор нужные усилия приложил. Он предположил, что дефекты кристаллической решетки облегчают скольжение одной части кристалла относительно другой. Их никто не видел? Это, конечно, говорит не в пользу сделанного предположения, но и не означает, что их нет вообще. Просто их не научились обнаруживать имевшимися в распоряжении исследователей методами, потому что это дефекты на атомном уровне.

Нептун тоже не был известен астрономам, но он заявлял о себе своим влиянием на орбиту Урана и тем самым позволил себя обнаружить. Сначала - на бумаге, а потом уже - на небе.

Так и дефекты кристаллической решетки обязаны существовать, ибо только их присутствие может объяснить наблюдаемые на практике явления, (подробнее: Предел текучести материала).

Дислокации

Что же представляют собой дефекты кристаллической решетки? Один из возможных вариантов приведен на рисунке. Представьте себе, что одна из атомных плоскостей короче остальных. Пусть вертикальный ряд атомов 3-3 не достроен до конца. Как будто между несколькими одинаковыми страницами книги положили половинку страницы.

Недостроенная атомная плоскость называется экстраплоскостью. В непосредственной близости от нижнего края экстраплоскости возникает искажение решетки (оно обведено кружком). Это искажение является линейным дефектом в том смысле, что его длина (в направлении оси X) во много раз превышает размеры в двух направлениях (У и Z).

В направлении X размер искажения равен толщине кристалла (то есть составляет несколько миллиметров или даже сантиметров), в то время как в направлениях У и Z, он ограничен несколькими периодами решетки (то есть порядка 10 ^-8

см). Такие линейные дефекты называют дислокациями. В кристаллах могут существовать и другие дефекты - точечные (имеющие во всех трех направлениях величину, близкую к межатомному расстоянию), поверхностные (имеющие толщину порядка нескольких периодов и большую протяженность в двух других направлениях), но нас интересуют только дислокации, поскольку, как оказалось, именно они помогли найти выход из образовавшегося тупика.

В кристалле, содержащем дислокации, для осуществления сдвига требуются намного меньшие усилия, чем в бездефектном кристалле.

Механизм сдвига при наличии дислокаций

Наличие дислокаций в корне меняет механизм сдвига. Он происходит не одновременно по всей плоскости скольжения, как в идеальной решетке, а последовательно: начинается в одном или нескольких участках и распространяется постепенно вдоль плоскости скольжения.

Для сдвига на одно межатомное расстояние нет необходимости разрывать сразу все связи между атомами, лежащими в плоскостях А и В. Достаточно сначала разорвать связи между атомами 2 и 4, как это показано на рис. с, затем атомы 4 соединить с атомами ряда 1 (рис. а), образующими нижний край экстраплоскости.

Разрыв и воссоединение атомов осуществляются в уже искаженном участке решетки, для прохождения этих процессов требуется напряжение в сотни раз меньшее, чем рассчитанное по уравнению Френкеля, (подробнее: Предел текучести материала), то есть соответствующее реальным значениям предела текучести при сдвиге.

Под действием этого же напряжения на следующем этапе разрывается связь 3-5 и воссоединяется связь 2-5 и т. д. При каждом разрыве старых и образовании новых связей происходит смещение дислокации на одно межатомное расстояние.

В нашем случае сдвиг можно рассматривать как движение дислокации слева направо. Когда дислокация дойдет до правого края решетки, произойдет сдвиг верхней части относительно нижней на одно межатомное расстояние. Если в материале много дислокаций, выход каждой из них на его поверхность будет приводить к дополнительному сдвигу на величину периода кристаллической решетки.

Таким образом движение дислокаций по плоскости скольжения будет вызывать пластическую деформацию. Обычно движение дислокаций сравнивают с движением складки на ковре. Большой ковер очень трудно целиком тянуть по полу, но если на нем делать складки и передвигать их поочередно от одного конца к другому, то будет происходить перемещение ковра в целом, и для такого передвижения понадобятся совсем небольшие усилия.

Складка - это дефект на ковре, дислокации - дефекты в кристаллах. Дислокации были предсказаны теоретиком, чтобы свести концы с концами, устранить обнаруженное противоречие и согласовать теорию с практикой.

И вначале мало кто верил, что они существуют на самом деле. Но дислокации позволяли объяснить очень многое в поведении кристаллических материалов. Благодаря им удалось понять такие процессы, как упрочнение металлов при различных видах обработки, закономерности изменения физических, химических и других свойств.

Дислокационный механизм пластической деформации

Кропотливые и длительные поиски увенчались успехом. В конце 40-х годов с совершенствованием электронных микроскопов удалось увидеть дислокации воочию, наблюдать их движение. Эти наблюдения полностью подтвердили догадку теоретиков о дислокационном механизме пластической деформации.

Так кончиком пера удалось приоткрыть таинственную завесу, скрывавшую особенности строения металлов и механизм их деформации. Сделать это было не проще, чем обнаружить планету. Сейчас можно вполне определенно утверждать, что пластическая деформация есть результат движения дислокаций.

Итак, если дислокаций нет, кристалл будет иметь сопротивление деформации, близкое к теоретическому, предсказанному Я. И. Френкелем. Когда они появляются, прочность падает, причем чем больше дислокаций, тем легче деформируется материал.

Но до определенного предела. Если дислокаций становится очень много, они начинают переплетаться, образовывать клубки и мешать друг другу перемещаться. А это означает, что деформирование затрудняется, предел текучести повышается.

Если изобразить графически зависимость предела текучести или прочности от общей длины дислокаций, содержащихся в 1 см материала, то она будет иметь вид кривой с минимумом.

Следовательно, существует два способа упрочнения металлов.

• Первый - создание материалов, содержащих очень малое количество дислокаций или не содержащих их вообще (ветвь кривой левее минимума).
• Второй - получение материалов с очень большим количеством дислокаций (правая ветвь кривой).

Упрочнение материала

Исходя из графической зависимости, даже при очень большом количестве дислокаций не удается приблизиться к теоретической прочности. И тем не менее именно этот путь пока используется в качестве основного. Потому что создание бездислокационных материалов - задача хотя и осуществимая, но очень трудоемкая.

Такие материалы пока очень дороги, их можно получать только в виде тончайших волокон, использование которых в реальных конструкциях представляет весьма сложную проблему.

А вот создать материал с большой плотностью дислокаций не трудно. Для этого достаточно подвергнуть его пластической деформации. При этом дислокации интенсивно размножаются лавинобразно растет и может доходить до 10¹⁴

см/см

(это число обозначает, что суммарная длина всех дислокации, содержащихся в 1 см

материала, составляет в среднем 10

см).

При таком количестве дислокаций не может быть и речи о каком-то независимом движении каждой из них. Любой дислокации приходится пробираться через лес других дислокаций, и такое движение, естественно, очень затруднено. Потому и прочность таких материалов высокая.

Увеличение дефектов в кристаллической решетке, увеличивает прочность материала.