Контрольная работа по Технологиям металлов и сварке (стр. 2 из 5)
1.3 Понятие о теории дислокации
Все реальные кристаллические твердые тела (в частности, металлы) имеют большее или меньшее количество дефектов кристаллической структуры, оказывающих влияние, нередко решающее, на макроскопические свойства твердых тел. Такими дефектами являются:
· точечные дефекты – вакансии (узлы кристаллических решеток, незаполненные атомами), межузельные атомы и др.
· одномерные (линейные) дефекты – дислокации;
· двумерные (поверхностные) дефекты – границы зерен и двойников, дефекты упаковки и др.
Успехи учения о прочности и пластичности материалов связаны с развитием представлений о роли дефектов структуры при пластической деформации и разрушении кристаллических твердых тел.
Дислокациями называют линейные несовершенства или одномерные дефекты кристаллических решеток реальных металлов, представляющие собой особые нарушения кристаллического строения, связанные с отклонениями реальных кристаллов от идеального их строения.
Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные криволинейные. Возникают они в металлах в процессе кристаллизации, пластической деформации и по другим причинам, вызывающим создание полей напряжений в кристаллической решетке, приводящих к соответствующим локальным деформациям и смещениям.
Теория дислокаций позволила объяснить, почему реальная прочность металлов разительно отличается от теоретической прочности (подсчитанной с учетом сил межатомного взаимодействия).
Представим себе, что в кристаллической решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость Q (рис. 1.4). Край 3–3' такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называют краевой дислокацией. Если такая дислокация находится вверху, то ее считают положительной и обозначают знаком ┬; краевую дислокацию, находящуюся внизу (отрицательную), обозначают знаком ┴.
Рисунок 1.4. Дислокация в кристаллической решетке.
Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи периодов решетки, ее линия не может быть прямой и, обладая поверхностным натяжением, она стремится замкнуться в контур. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Ширина дислокаций, т. е. расстояние от центра дефекта до места решетки без искажения, невелика и равна нескольким межатомным расстояниям.
Вследствие искажения решетки в районе дислокации последняя легко может смещаться вправо или влево от нейтрального положения и устанавливать связь краевых своих атомов 3 с атомами 1 (см. рис. 1.4), а соседняя справа (слева) полуплоскость будет при этом переходить в промежуточное положение, превращаясь тем самым в экстраплоскость и образуя дислокацию вдоль краевых атомов 2 и т. д. Таким образом, дислокация может перемещаться (вернее – передаваться как эстафета) вдоль некоторой плоскости скольжения, расположенной перпендикулярно к экстраплоскости Q.
Дислокации в металлах можно наблюдать с помощью электронного микроскопа.
Теоретически, при элементарном пластическом сдвиге (рис. 1.5), если учесть силы межатомного взаимодействия для каждой пары сопряженных атомов (относительно плоскости скольжения АА) 1–1', 2–2' и т. д. и учитывая, что в плоскости скольжения реального металлического кристалла имеется около 1014 атомов на каждый см2 сечения, требуется чрезвычайно большое усилие (для технического железа, как уже отмечалось, в десятки раз большее, чем это реально наблюдается).
Согласно дислокационной теории пластический сдвиг в металле следует рассматривать как процесс эстафетного перемещения дислокаций. Упрощенная схема этого процесса представлена на рис. 1.6.
В результате наличия дислокации (рис. 23а) в кристалле по обе стороны скольжения АА возникает искаженное состояние кристаллической решетки с нарушением порядка идеальных связей между атомами. В этом случае достаточно будет приложить небольшое внешнее усилие Р (значительно меньше силы Р для идеальной решетки–рис. 1.6б), чтобы вызвать распростране-
Рисунок 1.5. Пластический сдвиг в идеальной кристаллической решетке:
Рисунок 1.6. Дислокационная схема пластического сдвига.
ние волны последовательных частных смещений вертикальных рядов атомов над плоскостью скольжения АА, не превосходящих по величине одного межатомного расстояния. В результате прохождения этой волны дислокация, как своеобразная эстафета, будет последовательно передаваться рядам атомов 3, 4... и в некоторый момент займет положение, представленное на рис. 1.6в. В итоге же передачи движения от частного смещения ряда атомов 1 дислокация выйдет на поверхность и исчезнет, как это показано на рис. 1.6г. Итак, конечным результатом перемещения дислокации вдоль плоскости скольжения АА явился сдвиг на одно межатомное расстояние, причем для осуществления этого сдвига понадобилось значительно меньшее усилие, чем при отсутствии дислокации.
Отсюда можно сделать вывод, что процесс сдвига в кристалле происходит тем легче, чем больше дислокаций имеется в металле. Наоборот, чем меньше в металле таких дислокаций, тем меньше возможностей для сдвига и тем прочнее металл. В металле, в котором не образуются дислокации, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения (как целого) одной части кристалла относительно другой.
В этом случае прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической (точка 1 на рис. 1.7). Прочность нитевидных металлических кристаллов – так называемых усов (точка 2 на рис. 1.7) – оказалась ближе к теоретической, что, согласно, предположениям, обусловлено весьма малым количеством дислокаций. Так, например, для нитевидных кристаллов железа предел прочности на разрыв составляет 140 МН/м2 (МПа).
Большое повышение прочности металла с увеличением совершенства его кристаллического строения (на примере нитевидных кристаллов) является убедительным подтверждением теории дислокации.
Кроме получения бездислокационных металлических кристаллов существует другой путь упрочнения металлов. Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув минимального значения при некоторой критической плотности дислокаций (рис. 1.7),реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокаций объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, т. е. в элементарный акт пластической деформации будет вовлекаться одновременно все большее число атомов, и реальная прочность металла повысится.
Традиционными способами упрочнения металлов, ведущими к увеличению плотности дислокаций, являются механический наклеп, измельчение зерна и общее фрагментирование кристаллов в результате термообработки. Некоторые давно известные методы легирования (например, внесение в решетку основного металла чужеродных атомов), создающие всякого рода несовершенства и искажения кристаллической решетки, препятствуют свободному перемещению дислокаций или блокируют их. Сюда же относятся способы образования структур с так называемыми упрочняющими фазами (например, дисперсионное твердение).
Рисунок 1.7. Зависимость прочности от плотности дислокаций: I — теоретическая прочность; 2 — прочность монокристальных нитей («усов»); 3 — практическая прочность отожженного металла; с — закаленной стали: 6 — стали после термомеханической обработки; в — мартенситостареющие стали
Однако во всех этих случаях упрочнение далеко не достигает теоретического значения. Следовательно, в той или иной степени наличие дислокаций в реальном металлическом кристалле является причиной понижения его прочности за счет проявления способности пластически деформироваться при напряжениях, меньших теоретического уровня.
Следует отметить, что взаимодействия дислокаций друг с другом и с другими дефектами металла настолько сложны, что на основе простых дислокационных теорий нельзя предсказывать прочность твердых тел. Однако, теория дислокаций позволяет качественно характеризовать процессы деформации, разрушения и упрочнения твердых тел.
Теория дислокаций на сегодняшний день стала неотъемлемой частью физики твердого тела и физического металловедения. Все процессы, протекающие в металлах и сплавах, а также формирование их свойств неразрывно связаны с характером и плотностью дефектов кристаллического строения и, в первую очередь, дислокаций. Так, пластическая деформация, обычно представляющая собой внутризеренный сдвиг, осуществляется, как об этом было сказало выше, путем движения дислокаций.
Теория дислокаций объясняет зависимость между деформациями и напряжениями, вскрывает причины деформационного упрочнения (наклепа). Чем больше плотность дислокаций при равномерном их распределении, тем выше прочность металла.
Упрочнение твердых растворов нельзя объяснить без учета взаимодействия растворенных атомов с дефектами кристаллического строения и, в первую очередь, с дислокациями.
Вокруг дислокаций могут создаваться скопления чужеродных атомов, получивших название «атмосфер Котредла». Образование таких скоплений (особенно внедренными атомами) может в значительной степени затруднять движение дислокаций увеличивая тем самым сопротивление пластической деформации.