Диффузия – перемещение атомов на различные расстояния, превышающие межатомные для данного металла.
Перемещение атомов осуществляется путем обмена местами с вакансиями. Поскольку с увеличением температуры резко возрастает количество вакансий, то очевидно, что и процессы диффузии активизируются и ускоряются с увеличением температуры.
Точечные дефекты, перемещаясь по кристаллической решетке, могут объединяться в группы, образуя линейные дефекты. Скопление примесных атомов могут образовывать в определенных объемах решетки «лишнюю» кристаллографическую плоскость, а объединение вакансий, наоборот, формировать «недостающую» кристаллографическую плоскость.
Линейные дефекты кристаллического строения характеризуются малыми размерами в двух измерениях и значительной протяженностью в третьем измерении. Такие дефекты называются дислокациями (рис.1.8).
Рис.1.8. Схема расположения дислокации.
Основной вид дислокаций – краевая. В результате своего перемещения по кристаллу краевые дислокации могут выходить на поверхность кристалла. Из рис.1.8 и 1.9 видно, что атомы над краевой дислокацией испытывают сжатие, а нижние атомы – растяжение. Это приводит к значительным искажениям в той части кристаллической решетки, в которой находится дислокация, т.е. экстраплоскость.
Рис. 1.9. Расположение кристаллографических плоскостей в идеальном
кристалле (а) и незавершенная плоскость (экстраплоскость) в
кристалле с дислокацией (б).
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла (рис.1.10, а), то дислокацию называют «положительной» и обозначают значком «». Если находится в нижней части кристалла, то дислокацию называют «отрицательной» и обозначают значком «». Различие между положительными и отрицательными дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную и наоборот. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного притягиваются.
Рис. 1.10. Расположение положительной (а) и отрицательной (б) дислокаций.
Дислокации внутри решетки могут взаимодействовать с точечными дефектами. Так, присоединение к лишней экстраплоскости атома внедрения перемещает дислокацию в направлении размещения этого атома. Присоединение к экстраплоскости вакансии, наоборот, перемещает дислокацию в направлении противоположном расположению вакансии.
Кроме того, дислокации могут самостоятельно перемещаться по кристаллу под воздействием приложенных к металлу напряжений. Наиболее распространенный для металлов способ и механизм перемещения дислокаций является пластический сдвиг (скольжение) (рис.1.11а, б). Распространение скольжения дислокаций по плоскости скольжения происходит последовательно. Каждый шаг перемещения дислокации из одного положения в другое совер-шается разрывом лишь одной вертикальной атомной плоскости. При этом для перемещения дислокаций требуется значительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной части кристалла относительно другой по кристаллографической плоскости.
При движении дислокации вдоль направления сдвига (приложения нагрузки ) через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней части на одно межатомное расстояние. В результате перемещения дислокация выходит на поверхность кристалла, где остается так называемая «ступенька скольжения» (рис.1.11 в). Дислокации легче перемещаются в направлениях перпендикулярных экстраплоскости.
С наличием дислокаций в кристаллах и возможностью их перемещения связан такой важный процесс, происходящий в металлах, как пластическая деформация.
Любая пластическая деформация происходит в металлах только при приложении внешней нагрузки (напряжений). А движение дислокаций и начинается при приложении нагрузки, т.е. сама пластическая деформация связана с движением дислокаций.
Таким образом, механизм пластической деформации заключается в движении и размножении дислокаций в кристалле.
Рис.1.11. Стадии перемещения дислокаций.
Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться винтовые дислокации (рис. 1.12). Винтовые дислокации могут образовываются путем частичного сдвига атомных слоев внутри кристалла. Кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии воображаемого разреза. Образование винтовой дислокации носит очень сложный характер.
Основной вклад в процесс пластической деформации вносят дислокации краевые, поэтому в дальнейшем основное внимание будет уделено краевым дислокациям.
а)
б)
Рис. 1.12. Схема образования (а) и расположение атомов (б) винтовой
дислокации в кристалле.
Количество дислокаций в кристаллах может достигать большой величины и рассчитывается через плотность дислокаций .
L / V
Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокаций l
приходящуюся на единицу объема V кристалла. Размерность плотности дислокаций см/см3 или см-2. В исходном состоянии плотность дислокаций в металлах около 106 - 103. После пластической деформации плотность дислокаций значительно возрастает и может составлять 1011 - 1012, что соответствует примерно 1 млн. километров дислокаций в 1 см3!
Плотность дислокаций определяется экспериментально по специальным методикам и при очень большом увеличении. Подсчитывается число выходов дислокаций на единицу площади поверхности металла.
Использование теории дислокаций позволило объяснить многие вопросы, связанные с изменением прочности металлов и сплавов.
ЛЕКЦИЯ 2
ПРОЦЕССЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ