Значение теории дислокаций для металловедения

Теория дислокаций не может претендовать на абсолютно достоверное описание явлений, как, впрочем, и всякая другая теория. Но успехи в теоретических работах и экспериментальных исследованиях дислокаций (особенно при прямом наблюдении поведения дислокаций в просвечивающей электронной микроскопии тонких металлических фольг) столь велики, что эта теория стала неотъемлемой частью физического металловедения. Не вызывает сомнение, что все процессы, протекающие в металлах и сплавах, неразрывно связаны с характером и плотностью дефектов кристаллического строения.

Пластическая деформация, представляющая собой обычно внутризеренный сдвиг, осуществляется путем консервативного движения дислокаций. При пластической деформации кристалла дислокации интенсивно размножаются. В сильно наклепанных кристаллах плотность их достигает около 10¹² см^-2. Распределение дислокаций в деформированных кристаллах обычно неравномерно. При малой степени деформации (до 10%) они часто располагаются вдоль отдельных плоскостей скольжения, которые на поверхности кристалла в виде линий и полос скольжения. С увеличением степени деформации часто возникает ячеистая структура с размером ячеек 1 мкм. Границы ячеек состоят из густо расположенных дислокаций.

Теория дислокаций объясняет зависимость между деформациями и напряжениями, выявляет причину деформационного упрочнения. Например, на кривой растяжения чистого от примесей монокристалла металла с ГЦК структурой можно наблюдать три стадии деформации: начальная стадия очень слабого упрочнения или стадия легкого скольжения - действует лишь одна система скольжения, при этом дислокации проходят большие расстояния и легко выходят из кристалла, плотность их практически не возрастает; вторая стадия большого и постоянного по интенсивности упрочнения или стадия множественного скольжения - действует не менее трех систем скольжения, дислокации пересекаются и вступают в реакции, при этом образуются ступеньки на винтовых дислокациях и различные барьеры, плотность дислокаций возрастает, металл упрочняется с большой и постоянной интенсивностью; третья стадия упрочнения по примерно параболическому закону небольшой интенсивности или стадия динамического отдыха, или также стадия поперечного скольжения - под воздействием все возрастающего напряжения получает развитие процесс поперечного скольжения винтовых дислокаций, что приводит к частичной релаксации напряжения, становится возможным аннигиляция отдельных дислокаций противоположных знаков, интенсивность упрочнения резко уменьшается.

Упрочнение твердых растворов нельзя объяснить без учета взаимодействия растворенных атомов с дефектами кристаллического строения и, в частности, с дислокациями. Вокруг дислокаций могут создаваться скопления чужеродных атомов (атмосфер Коттрелла), что в значительной мере затрудняет движение дислокаций и увеличивает сопротивление пластической деформации.

Процесс разрушения металлов невозможно объяснить без учета теории дислокаций, поскольку разрушение и пластическая деформация неразрывно связаны между собой. Предложены различные дислокационные модели образования зародышевых трещин, возникающих благодаря скоплению дислокаций перед барьерами. Предложенная Зинером модель, которую впоследствии неоднократно уточняли и модифицировали, показана на рис. 2.55(а). Клиновидная трещина образуется под действием высоких касательных напряжений в вершине плоского скопления при слиянии нескольких дислокаций. Зарождение трещин возможно также в результате разрыва дислокационных границ наклона в результате задержки части границы при ее перемещении путем скольжения (рис. 2.55,г) либо при пересечении границы цугом скользящих дислокаций (рис. 2.55,д).

Рост трещин, переход от пластичности к хрупкости рассматривается как результат конкуренции двух процессов в головной части скопления дислокаций: процесса скольжения в результате преодоления барьера и образования зародыша трещины и ее роста в районе барьера.

Рис. 2.55. Дислокационные модели зарождения трещин: в голове
плоских скоплений по Зинеру (а) и Стро (б); в плоскости скольжения (в); при разрыве дислокационной стенки по Стро и Фриделю (г, д)

Ползучесть металлов нельзя объяснить, не основываясь на теории дислокаций, поскольку она определяется процессами скольжения и переползания дислокаций.

Все процессы, протекающие при нагреве деформированных металлов: отдых, полигонизация, первичная, собирательная и вторичная рекристаллизация - получили значительно более глубокое объяснение благодаря развитию теоретических и экспериментальных исследований дислокаций.

Дислокации оказывают существенное влияние на процессы диффузии в кристаллах. Так как одним из важнейших механизмов диффузии является вакансионный, то дислокации, которые могут быть источниками вакансий, способствуют ускорению диффузионных процессов. Есть и другая причина такого влияния: облегчение атомных перескоков вдоль линии дислокации, где имеет место ”разрыхление” структуры. Таким образом, дислокации оказывают существенное влияние на все процессы и фазовые превращения, протекание которых связано с явлениями диффузии.

В процессе распада пересыщенных твердых растворов дислокации уменьшают работу образования зародышей новой фазы, являясь областями преимущественного ее выделения. Теория дислокаций описывает характер взаимодействия дислокаций с дисперсными частицами других фаз и вскрывает причины упрочнения стареющих сплавов.

Мартенситные превращения протекают путем сдвига и, следовательно, обусловлены движением частичных дислокаций.

Из этого неполного перечня процессов и явлений видно, что почти все вопросы, являющиеся предметом металловедения, неразрывно связаны с теорией дислокаций.

Границы зерен

Межзеренная граница – это поверхность контакта двух кристаллов (зерен), отличающихся друг от друга ориентировкой. В области сопряжения зерен атомы сдвигаются из узлов кристаллической решетки, поэтому образуется двумерная дефектная поверхность, имеющая большие размеры в двух измерениях и атомные размеры в третьем измерении.

Атомы, расположенные в переходных зонах между смежными зернами, находятся под действием полей решеток обоих кристаллитов, и их расположение на границе является промежуточным между расположениями, свойственными каждому из этих кристаллитов. Вследствие этого атомы на границе обладают избыточной энергией, которая в природе кристаллитов играет роль, аналогичной роли поверхностной энергии на внешней поверхности твердого тела.

Границы зерен играют важную роль в формировании многих свойств поликристаллов. Присущие им искажения кристаллической решетки снижают энергетические барьеры между соседними атомами, в связи с чем существенно облегчаются элементарные акты диффузии и возникает явление предпочтительной межкристаллитной диффузии. Этим обусловлена, в частности, межкристаллитная коррозия или обратимая хрупкость при повторном отпуске закаленной стали. Границы зерен играют большую роль и в развитии пластической деформации поликристаллов, представляя собой препятствие на пути скольжения дислокаций.

Большинство кристаллических твердых веществ являются поликристаллами, т. е. состоят из множества небольших монокристаллических зерен, примыкающих друг к другу по границам таким образом, что отсутствует нарушение сплошности. Обычно монокристаллическое зерно разбито на более мелкие части, которые называются или субзернами, или блоками, имеющими незначительную разориентировку между собой. В равновесных условиях граница должна быть плоской, т.к. это уменьшает площадь ее поверхности, а, следовательно, поверхностную энергию.

В настоящее время общей теории, описывающей строение всех границ, не существует. Например, одна из первых гипотез предполагала, что материал в области границы находится в «стеклообразном» или «жидкоподобном» состоя­нии. Однако эта гипотеза противоречит термодинамическим расчетам и экспериментальным данным. Современные представления о строении границ исходят из того факта, что границы в поликристаллах обладают высокой прочностью, т.е. имеется большое сцепление между соприкасающимися кристаллами. Это свидетельствует о том, что между атомами на границе существует такая же связь, как и внутри кристалла, поэтому одни и те же атомы должны принадлежать одновременно обоим кристаллам.

Ниже приведены существующие представления о строении границ зерен, с позиции которых объясняются многие процессы, протекающие в металлах и сплавах.