Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Понятие дислокации
• 2. Дефекты кристалла
• 2.1 Нульмерные (точечные)
• 2.2 Одномерные (линейные)
• 2.2.1 Краевая дислокация
• 2.2.2 Винтовая дислокация
• 2.2.3 Смешанная дислокация
• 2.3 Двумерные (плоские)
• 2.4 Трёхмерные (объёмные)
• 3. Контур и вектор Бюргерса
• 4. Размножение дислокаций при пластическом деформировании
• 5. Теория дислокаций
• Заключение
• Список использованной литературы

Введение

• Процесс разрушения металлов невозможно объяснить без учета теории дислокаций, поскольку разрушение и пластическая деформация неразрывно связаны между собой. Теория дислокаций кристалла -- теория несовершенного роста кристаллов, основанная на наличии мельчайших спиралей на поверхности растущего кристалла. Нарастание вещества происходит по спирали; в центре спирального роста всегда находится дефект в виде незначительного смещения мельчайших участков кристалла друг относительно друга. Согласно этой теории особые нарушения структуры, выражающиеся в винтовом смещении структурных единиц, создают возможность роста кристаллов без предварительного образования двумерного зародыша на поверхности завершенного слоя.
• дислокация кристалл бюргерс дефект
• 1. Понятие дислокации
• Дислокамция -- линейный дефект, или нарушение, кристаллической решётки твёрдого тела. Наличие дислокаций существенно влияет на механические и другие физические свойства твердого тела. Выделяют два основных типа дислокаций: краевые и винтовые. Дислокации смешанного типа являются комбинацией указанных двух типов. Первоначально математическая теория дислокаций была разработана Вито Вольтерра в 1905г., однако сам термин «дислокация» был предложен позднее в работах профессора Бристольского университета Фредерика Франка. Общее определение С математической точки зрения, дислокация -- это топологический дефект, называемый также солитоном.
• Дислокации относятся к стабильным образованиям. Две противоположно ориентированные дислокации встретившись, могут взаимно уничтожиться (аннигилировать), но одиночная дислокация не может исчезнуть, если не выйдет на грань кристалла. Основная геометрическая характеристика дислокаций -- вектор Бюргерса. Если в идеальном кристалле провести замкнутый контур, а затем попытаться провести такой же контур вокруг области с дислокацией, то контур будет разорван. Вектор, который нужно провести для замыкания этого контура, и есть вектор Бюргерса дислокации. Он характеризует величину и направление сдвига атомных плоскостей, приводящего к образованию дислокации. В зависимости от угла ц между вектором Бюргерса и линией дислокации различают дислокации винтовые (ц=0), краевые (ц=90°) и смешанные (произвольный угол ц).

Смешанные дислокации могут быть разложены на краевую и винтовую компоненты. Кристаллическая решетка реального металла не является геометрически идеальной. В ее узлах нередко отсутствуют атомы, а в зернах очень часто между полными кристаллографическими плоскостями, идущими от границы до границы зерна, находятся так называемые экстраплоскости, протяженность которых офаничивается только частью размера зерна.

2. Дефекты кристалла

• Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла -- идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько видов дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты.

2.1 Нульмерные (точечные)

• К нульмерным дефектам кристалла относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Эти дефекты называются: вакансия- свободный, незанятый атомом, узел кристаллической решетки; собственный межузельный атом -- атом основного элемента, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки; примесный атом замещения-- замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки. В позициях замещения могут находиться атомы, которые по своим размерам и электронным свойствам относительно слабо отличаются от атомов основы; примесный атом внедрения -- атом примеси располагается в междоузлии кристаллической решетки.
• В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках -- это примеси, создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии. Точечные дефекты возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Могут вноситься также в результате имплантации. Свойства таких дефектов и механизмы их образования наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение.

• Рис. 1 Точечные дефекты в кристаллической решетке: а -- вакансия, б-- атом внедрения, в -- примесный атом внедрения

2.2 Одномерные (линейные)

Одномерные дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению намного больше параметра решетки, а по двум другим -- соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации и дисклинации. Общее определение: дислокация -- граница области незавершенного сдвига в кристалле. Дислокации характеризуются вектором сдвига (вектором Бюргерса) и углом ц между ним и линией дислокации.

При ц=0 дислокация называется винтовой; при ц=90°-- краевой; при других углах -- смешанной и тогда может быть разложена на винтовую и краевую компоненты. Дислокации возникают в процессе роста кристалла; при его пластической деформации и во многих других случаях. Их распределение и поведение при внешних воздействиях определяют важнейшие механические свойства, в частности такие как прочность, пластичность и др. Дисклинация -- граница области незавершенного поворота в кристалле. Характеризуется вектором поворота.

2.2.1 Краевая дислокация

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней лишней атомной полуплоскости (экстраплоскости). Образование краевой дислокации можно представить, как результат удаления одной полуплоскости из кристаллической решётки в середине кристалла. В этом случае окружающие дефект плоскости уже не будут прямыми, однако они будут огибать границу уничтоженной полуплоскости так, что на гранях кристалла структура решетки не будет нарушена и дефект не будет виден. Линия, отделяющая дефектную область кристалла от бездефектной, называется линией дислокации. Простейшая наглядная модель краевой дислокации-- книга, у которой от одной из внутренних страниц оторвана часть. Тогда, если страницы книги уподобить атомным плоскостям, то край оторванной части страницы моделирует линию дислокации.

Рис. 2 Краевая дислокация

Рис. 3 Пластическая деформация как результат движения краевой дислокации под действием напряжения сдвига t--

2.2.2 Винтовая дислокация

Винтовая дислокация соответствует оси спиральной структуры в кристалле, характеризуемом искажением, которое присоединяется к нормальным параллельным плоскостям, вместе формирующим непрерывную винтовую наклонную плоскость (с одним периодом), вращающуюся относительно дислокации. Образования винтовой дислокации можно представить таким образом. Мысленно надрежем кристалл по плоскости и сдвинем одну его часть относительно другой по этой плоскости на один периодрешётки параллельно краю надреза. При этом линия искажения пойдёт вдоль края разреза. Эту линию и называют винтовой дислокацией. Искажение пространственной решётки кристалла состоит в том, что атомные ряды изгибаются и меняют своих соседей. Кристалл с винтовой дислокацией уже не состоит из параллельных атомных плоскостей, скорее его можно рассматривать состоящим из одной атомной плоскости, закрученной в виде геликоида или винтовой лестницы без ступенек. Винтовые дислокации чаще всего образуются во время роста кристалла.

На макроуровне они проявляется в скручивании кристалла по или против часовой стрелки или в спиральных "скульптурах роста" на поверхности его граней.

Рис. 4 (а, б) Винтовая дислокация

2.2.3 Смешанная дислокация

Когда дислокация представляет собой кривую. Такие дислокации называются смешанными (рис. 1.5). В точке О дислокация винтовая, а в точке О/ ? краевая.

Важными характеристиками дислокации являются вектор Бюргерса и контур Бюргерса. Назовем областью хорошего кристалла любую область реального кристалла, где можно установить однозначное соответствие с идеальным кристаллом, а где такого соответствия установить нельзя, - областью плохого кристалла. Контуром Бюргерса называют замкнутый контур произвольной формы, построенный в реальном кристалле так, что от атома к атому переходят последовательно, не выходя из области хорошего кристалла.

Рис. 5 Смешанная дислокация

2.3 Двумерные (плоские)

Основной дефект-представитель этого класса -- поверхность кристалла. Другие случаи-- границы зёрен материала, в том числе малоугловые границы (представляют собой ассоциации дислокаций), плоскости двойникования, поверхности раздела фаз и др.

2.4 Трёхмерные (объёмные)

К объемным дефектам относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например: пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение -- нарушение режимов роста кристалла, распад пересыщенного твердого раствора, загрязнение образцов. В некоторых случаях (например, при дисперсионном твердении) объемные дефекты специально вводят в материал, для модификации его физических свойств.

3. Контур и вектор Бюргерса

Вектор Бюмргерса (b) -- количественная характеристика, описывающая искажения кристаллической решётки вокруг дислокации. Важнейшие виды линейных дефектов -- краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация представляет собой край «лишней» полуплоскости в решётке. Вокруг дислокаций решётка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он получается, если в реальном кристалле обойти контур, который был бы замкнутым в идеальном кристалле (например, в примитивном кристалле кубической сингонии это контур "n связей вверх, m связей вправо, n связей вниз, m связей влево"), заключив дислокацию "внутрь" контура. Как видно на рисунке, в реальном кристалле контур окажется незамкнутым. Вектор b, который нужен для замыкания контура, называется вектором Бюргерса.

Рис. 6 Построение контура Бюргерса: а ? в реальном; б ? исходном идеальном кристалле

Определение вектора Бюргерса

Если в реальном кристалле контур проведен вокруг дислокации, то соответствующий контур в идеальном кристалле окажется разомкнутым (рис. 6, б). Чтобы замкнуть контур, его надо дополнить вектором , который и является вектором Бюргерса. Направление вектора определяется следующими условиями:

*если положительное направление дислокации выбрано произвольно, то обход контура Бюргерса определяется по правилу правого винта;

вектор Бюргерса направлен от конечной точки В к начальной точке А.

В случае краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен линии дислокации, а для винтовой ? параллелен ей.

Рис. 7 Контур и вектор Бюргерса винтовой дислокации: а ? реальный; б ? идеальный кристалл

Таким образом, и винтовая, и краевая дислокации ? это граница между сдвинутой и несдвинутой частями кристалла (область незавершенного сдвига) или нарушение правильности структуры вдоль некоторой линии, которая не может оборваться внутри кристалла. Линия дислокации должна либо выходить на поверхность кристалла, либо разветвляться на другие дислокации, либо образовывать внутри кристалла замкнутые петли или взаимосвязанную сетку. Именно последняя возможность чаще всего реализуется в кристаллах. Вектор Бюргерса для контура, замыкающегося вокруг нескольких дислокаций, равен сумме векторов Бюргерса отдельных дислокаций. Если дислокация с вектором Бюргерса разделяется внутри кристалла на несколько дислокаций с векторами Бюргерса , ,…, , то выполняется условие .

Вектор Бюргерса всегда является одним из векторов трансляции решетки, поэтому его модуль и направление ограничены рядом дискретных значений, определяемых структурой кристалла. Следует заметить, что для точечных дефектов, рассмотренных выше, вектор Бюргерса равен нулю.

4. Размножение дислокаций при пластическом деформировании

Линейную дислокацию удобно рассмотреть на примере однородного изотропного (например, резинового) упругого цилиндра (рис.8).

Рис.8 Образование линии дислокации в упругом однородном цилиндре

Разрежем цилиндр вдоль плоскости P (рис. 8, а), сместим края так, как показано на (рис. 8, б и в) и склеим. Линия ОО/, определяющая область, в которой сдвиг произошел от области, где сдвига нет (рис. 8, в), получила название дислокации.

В отличие от рассмотренного примера, кристалл имеет дискретное строение и в общем случае анизотропен, поэтому накладываются ограничения на характер возможных смещений. Допускаются только те смещения, которые соответствуют свойствам симметрии кристаллической решетки.

5. Теория 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, что в значительной мере затрудняет движение дислокаций и увеличивает сопротивление пластической деформации.

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. 9 (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. 9 г) либо при пересечении границы цугом скользящих дислокаций (рис. 9 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. 9. 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)

Заключение

Современная теория дислокаций учитывает смещение отдельных атомов в процессе диффузии, приводящее к нарушению правильности в атомной решетке. Линии дислокаций связывает отдельные нарушения в атомных слоях. Пересечение дислокаций образует вакансии, а группировка вакансий - поры, которые уже физически нарушают сплошность материала и является исходным очагом для зарождения трещины.

Список использованной литературы

1. Дж. Хирт, И. Лоте. Теория дислокаций. - М.: Атомиздат, 1972. - Гл. 1,3,5, 8,9,10,20,22.

2. Н. Фридель Дислокации. - М.: Мир, 1967. - гл. 1,2,3,6.

3. Дж. Хирт. Дислокации. // Физическое металловедение. М.: Металлургия, 1968. -Т.З. - Гл.21.

4. А. Келли, Г. Гровз. Кристаллография и дефекты в кристаллах. - М: Мир, 1974.

5. А.А. Предводителев, О.А. Троицкий. Дислокации и точечные дефекты в гексагональных металлах. - М.: Атомиздат, 1973. - Гл. II - С. 37-52. - Гл. II. С.55-72.

6. Л.H. Орлов, В.Н. Первезенцев, В.В. Рыбин. Границы зерен в металлах. -М.: Металлургия, 1980. Гл. 11,111,VI. - с. 16-51,90-120.

7. В.М. Косевич, В.М. Иевлев Л.С. Палатник, А.И. Федоренко. Структура межкристаллических границ. - М.: Металлургия. 1980. - Гл. I, II.

Размещено на Allbest.ru