§ 128. Дислокации в кристаллах

Приведенный выше расчет теоретической прочности кристалла по отношению к сдвигу исходит из того, что мы имеем дело с совершенным кристаллом, в котором атомы расположены безупречно правильно. Именно такой кристалл должен отличаться необычно большой прочностью, т. е. высоким пределом текучести (напомним, чтопластическаядеформация растяжения тоже сводится к множеству сдвигов в малых областях кристалла). Если опыт показывает, что предел текучести реального кристалла на самом деле много ниже, то естественно предположить, что причиной тому — несовершенство кристалла, наличие в нем каких-то искажений, т. е. того, что мы раньше называли дефектами кристалла.

Но, с другой стороны, известно, что во многих случаях заведомо дефектные кристаллы обладают более высокой прочностью, чем кристаллы менее искаженные. Не подлежит, например, сомнению, что механические свойства стали, т. е. железа с примесью углерода, выше, чем чистого железа, лишенного таких дефектов, как чужеродные атомы. Точно так же пластически деформированный кристалл — это тоже «испорченный», дефектный кристалл, а предел текучести у него выше, чем у более совершенного кристалла, еще не испытавшего наклепа. Отсюда следует, что не всякие дефекты могут считаться «повинными» в том, что прочность кристалла меньше теоретически вычисленной.

По современным представлениям многие явления, связанные с пластической деформацией, могут быть объяснены присутствием особого вида дефектов кристалла — дислокаций, кратко уже описанных нами выше (§ 121). Познакомимся теперь более подробно с дислокациями и их свойствами.

Представим себе кристалл, у которого вдоль некоторой плоскости сделан надрез на половину глубины кристалла (рис. 176 и 177).

Рис. 176.

Рис. 177.

И пусть теперь часть кристалла, расположенная над надрезом, сжата в направлении, указанном стрелкой, так что крайняя левая атомная плоскость сдвигается на расстояние, равное постоянной решетки (см. рис. 176), а нижняя часть (под надрезом) не испытывает сдвига. Линия внутри кристалла является краем той части кристалла, которая испытала сдвиг. Область кристалла вдоль этой линии и называется краевой дислокацией. На рис. 178 представлено расположение атомов в плоскости, перпендикулярной к линии (см. рис. 176). Из рис. 178 видно, что дефект — дислокация — заключается в том, что атом С, расположенный непосредственно на линии дислокации, лишен нормального для атомов кристалла окружения соседних атомов.

Рис. 178.

Мы изобразили здесь дислокацию как результат мысленных нереальных операций «надреза» и сжатия. На самом деле дислокации описанного вида могут появиться в кристалле и сами по себе, как следствие неравномерного движения атомов при скольжении, подобно тому как неодинаковое движение отдельных частей ковра приводит к образованию на нем складок. Дислокации могут образоваться и в процессе роста кристалла из расплава. Можно, значит, считать, что дислокации существуют во всяком кристалле, так же как в нем существуют и другие дефекты.

Важным свойством дислокаций является их способность двигаться В плоскости скольжения. Если представить себе, что дислокация,

изображенная на рис. 178, движется по направлению к правому краю кристалла, то легко видеть, что когда дислокация достигнет этого края, с кристаллом произойдет то же самое, что и при нормальном скольжении, изображенном на рис. 175, т. е. вся верхняя половина кристалла сместится относительно нижней на расстояние, равное постоянной решетки. Однако можно показать, что для перемещения дислокации требуется значительно меньшее напряжение, чем для обычного скольжения. Аналогией тут могут служить те же складки на ковре, которые легче устранить, перемещая складки, чем дергая ковер за край.

Даже если бы в кристалле была одна-единственная дислокация, то и она привела бы к многократному уменьшению предела текучести кристалла.

Таким образом, расхождение между теоретически вычисленным и экспериментально измеренным значениями предела текучести кристалла может быть объяснено существованием дислокаций в кристалле, во всех других отношениях вполне совершенном. Правильность такого объяснения, по-видимому, подтверждается опцтами с монокристаллами, изготовленными в условиях, исключающих появление дислокаций. Предел текучести выращенных таким образом монокристаллов оказался очень близким к теоретическому, т. е. очень высоким.

Скоплению дислокаций в кристаллах способствуют микроскопические трещины на поверхностях. Эти трещины поэтому снижают прочность кристалла. Если каким-нибудь образом устранить такие трещины, то прочность кристалла должна резко возрасти. Это было подтверждено опытом А. Ф. Иоффе. Опыт проводился с кристаллом каменной соли, погруженным в воду. Растворяясь с поверхности, кристалл оказывался почти полностью лишенным поверхностных трещин, и измеренная прочность оказалась значительно больше, чем при измерениях в обычных условиях (эффект Иоффе).

Представление о дислокациях позволяет объяснить и ряд других особенностей, относящихся к механическим свойствам твердых тел.

Дислокации и наклеп. Из сказанного выше ясно, что прочность кристалла зависит от того, насколько легко перемещаются дислокации. Чем меньше помех движению дислокаций, тем меньше должен быть предел текучести кристалла.

Если, как это всегда бывает, в кристалле имеется не одна, а много дислокаций, то их взаимодействие приводит к уменьшению подвижности дислокаций. Как показали Франк и Рид, в процессе пластической деформации происходит рост числа дислокаций. Из-за этого при своем движении дислокации вынуждены проходить одна через другую, и так как каждая дислокация является местом, где порядок в кристалле нарушен, то при таком взаимном

проникновении между ними возникают силы отталкивания и притяжения. Подвижность дислокаций вследствие этого уменьшается и, следовательно, кристалл упрочняется. В этом полупочается причина упрочнения кристаллов при пластической деформации.

Дислокации и примеси. Примеси к основному веществу обычно приводят к росту прочности и твердости. С точки зрения теории дислокаций это упрочнение должно быть тоже следствием уменьшения подвижности дислокаций. Присутствие примесей в самом деле приводит к тому, что перемещение дислокаций становится более затруднительным.

Из того, что было сказано о дислокациях (см. рис. 178), ясно, что состояние атомов кристалла по обе стороны от дислокации, выше и ниже линии скольжения, различное. Выше линии дислокации решетка несколько сжата, а ниже — расширена. Из-за этого атомы примесей скапливаются преимущественно в районе дислокаций: атомы, размеры которых меньше размеров атомов основной решетки, размещаются в сжатой части, т. е. над линией дислокации, атомы большего размера — под ней, в расширенной части. Такое скопление примесных атомов вблизи дислокаций и приводит к тому, что требуется большее напряжение для того, чтобы заставить дислокацию передвигаться. А это и значит, что тело упрочняется. Как показывает расчет, достаточно очень небольшого количества атомов примеси (порядка 0,01% и меньше), чтобы их скопление у дислокаций уже вызвало бы упрочнение. Этим объясняется сильное влияние, которое оказывают даже очень небольшие примеси на механические свойства твердых тел.

Этим объясняется и то, что в тех случаях, когда сплав представляет собой смесь двух видов атомов приблизительно одинаковых размеров (например, золото и серебро), то упрочнение выражено очень слабо, так как в этом случае атомам примеси «незачем» скапливаться у дислокаций: в любом другом месте решетки энергия их будет примерно такая же.

Дислокации и термическая обработка. Снятие последствий наклепа при отжиге, как и другие случаи изменения механических свойств, также связано с изменением подвижности дислокаций.

В данном случае подвижность дислокаций, очевидно, увеличивается, поскольку предел текучести уменьшается. Происходит это потому, что при высокой температуре, когда кинетическая энергия атомов увеличивается, атомы примесей, группирующиеся около дислокаций, из-за диффузии, по крайней мере частично, покидают свои места у дислокаций, стремясь выравнять свою концентрацию по всему объему тела. Это и приводит к тому, что дислокации получают большую свободу передвижения, а предел текучести вследствие этого понижается, стремясь к тому значению, которое существовало до деформации.

Несколько более сложны процессы, связанные с другими видами термической обработки (закалка, отпуск), так как они связаны с существованием различных фаз в сплавах. В задачи этой книги не входит рассмотрение этих явлений. Укажем только, что теория дислокаций оказывается очень полезной при изучении и этих процессов.

Ко всему сказанному о дислокациях добавим в заключение, что имеется много прямых и косвенных экспериментальных доказательств их реального существования в кристаллах.