Линейные дефекты и дислокации

Линейные дефекты — это протяжённые нарушения регулярного расположения атомов в кристалле, протяжённые вдоль одной пространственной координаты. В отличие от точечных дефектов, которые локализованы в пределах нескольких межатомных расстояний, линейные дефекты имеют макроскопическую длину и существенно влияют на механические, пластические, электрические и оптические свойства материала.

Наиболее важным типом линейных дефектов являются дислокации — смещения атомных плоскостей или цепочек атомов, нарушающие идеальную кристаллическую решётку. Они могут возникать при росте кристаллов, фазовых превращениях, пластической деформации и даже в результате теплового движения при высоких температурах.

Классификация дислокаций

Существуют два предельных типа дислокаций, а также их комбинации:

  1. Краевая дислокация

    • Характеризуется наличием дополнительной атомной полуплоскости, внедрённой в кристалл.
    • Линия дислокации перпендикулярна вектору Бюргерса.
    • Идеализированно представляется как плоскость, обрывающаяся внутри кристалла.
    • Возникает при сдвиговых деформациях или при несовершенном слиянии зёрен.

  2. Винтовая дислокация

    • Представляет собой спиральное смещение атомных плоскостей вокруг линии дислокации.
    • Линия дислокации параллельна вектору Бюргерса.
    • Возникает, когда сдвиг деформации происходит на разных уровнях с постепенным переходом.

  3. Смешанные дислокации

    • Содержат как краевые, так и винтовые компоненты.
    • Реальные дислокации в кристаллах часто имеют именно смешанную природу, что усложняет их описание.

Вектор Бюргерса и характеристика дислокаций

Для количественного описания дислокации используется вектор Бюргерса b. Он определяется по замкнутому контуру Бюргерса:

  • В идеальном кристалле обход по замкнутому контуру возвращает в исходную точку.
  • В кристалле с дислокацией контур смещается на величину b.

Свойства вектора Бюргерса:

  • Постоянен вдоль всей линии дислокации.
  • Направление и величина вектора определяют тип дислокации.
  • Для краевой дислокации b ⟂ линии дислокации.
  • Для винтовой дислокации b ∥ линии дислокации.

Энергия дислокаций

Наличие дислокации приводит к упругим искажением кристаллической решётки, что сопровождается увеличением энергии. Полная энергия дислокации складывается из:

  1. Упругой энергии — связана с полем упругих напряжений вокруг линии дефекта.
  2. Энергии сердцевины — локализована вблизи центральной области дислокации, где нарушен порядок решётки.

Приближённо удельная энергия на единицу длины дислокации для изотропного кристалла выражается как:

$$ E \approx \frac{G b^2}{4\pi(1 - \nu)} \ln \frac{R}{r_0} $$

где:

  • G — модуль сдвига,
  • b — модуль вектора Бюргерса,
  • ν — коэффициент Пуассона,
  • R — радиус области, в которой учитывается упругое искажение,
  • r0 — радиус сердцевины дислокации.

Движение дислокаций

Способность кристалла пластически деформироваться в значительной степени определяется подвижностью дислокаций. Различают несколько механизмов их движения:

  1. Скольжение

    • Дислокация перемещается в определённой кристаллографической плоскости скольжения под действием касательных напряжений.
    • Наиболее характерно для металлов с высокой пластичностью.

  2. Восхождение (клаймб)

    • Дислокация перемещается перпендикулярно плоскости скольжения за счёт диффузии вакансий или атомов.
    • Важный механизм при высоких температурах.

  3. Перескок (кросс-слип)

    • Для винтовых дислокаций возможен переход в другую эквивалентную плоскость скольжения.

Взаимодействие дислокаций

Дислокации могут взаимодействовать между собой, что приводит к:

  • Аннигиляции — при встрече противоположных по знаку дислокаций.
  • Образованию ступеней и узлов — при пересечении различных линий дефектов.
  • Заклиниванию (пиннинг) — фиксация дислокаций на примесях или других дефектах.

Взаимодействие дислокаций определяет упрочнение материала при деформации — чем выше плотность дислокаций, тем сложнее их дальнейшее движение.

Плотность дислокаций

Плотность дислокаций ρ — это суммарная длина линий дислокаций, приходящаяся на единицу объёма кристалла:

$$ \rho = \frac{L_{\text{общая}}}{V} $$

Для отожжённых металлов ρ обычно 108 − 1010 м−2, а после интенсивной пластической деформации — до 1014 м−2.

Роль дислокаций в свойствах материалов

  • Пластичность — наличие дислокаций облегчает деформацию, снижая требуемые напряжения по сравнению с идеальным кристаллом.
  • Упрочнение — при увеличении плотности дислокаций они препятствуют движению друг друга (механизм наклёпа).
  • Электропроводность — дислокации рассеивают электроны, снижая подвижность носителей заряда.
  • Коррозионная стойкость — линии дефектов могут служить каналами для диффузии агрессивных частиц.
Оглавление