Движение дислокаций оказалось ключевым понятием, которое позволило успешно применить дислокационную модель для объяснения снижения прочности кристаллов в тех случаях, когда другие ранее использовавшиеся модели оказывались неудовлетворительными. Чтобы пояснить идею движения дислокаций, рассмотрим простую краевую дислокацию, изображенную на рис. 2.12. При приложении касательного напряженияэта положительная краевая дислокация движется по кристаллу слева направо вдоль плоскости скольжения.
Рисунок 2.12 - Схематичное изображение перемещения атомов в окрестности краевой дислокации при ее движении под действием приложенного касательного напряжения
Отметим, что касательное напряжение должно совершить работу, чтобы отодвинуть атом 1 от атома 2, но одновременно с этим атом 3 приближается к его равновесному положению относительно атома 4. При этом освобождаемое парой 3—4 количество накопленной энергии упругой деформации приблизительно равно энергии, вновь накопленной парой 1—2.
Если обозначенное штриховой линией на рис. 2.12 положение атомов представляет собой равновесное положение до приложения касательного напряжения ?, то можно видеть, что произошло движение дислокации. До приложения напряжения дислокация была сосредоточена у атома 3, в то время как атомы 4 и 5 были соседями. При приложении достаточного по величине касательного напряжения относительное положение атомов 3, 4 и 5 приведет к возникновению такого поля сил, что связь между атомами 4—5 будет разрушена и образуется новая связь атомов 3—4. В то же самое время в окружающем пространстве происходит перестройка энергетических связей между другими атомами, при которой сохраняется примерный баланс между выделившейся и накопленной энергией.
Окончательный эффект состоит в том, что дислокация передвигается вправо при полных затратах внешней энергии, много меньших, чем потребовалось бы для разрыва связей при одновременном смещении всех атомов, расположенных выше плоскости скольжения. Эта ситуация примерно аналогична следующей. Тяжелый ковер, лежащий на полу, очень трудно сдвинуть, прикладывая к нему силу.
Рисунок 2.13 - Образование ступеньки скольжениядвижущейся краевой дислокацией и (b) движущейся винтовой дислокацией под действием приложенного касательного напряжения ?
Гораздо легче образовать сначала складку и передвигать ее, пока складка не схлопнется, дойдя до другого края ковра. Окончательным итогом в обоих случаях будет смещение всего ковра. Точно так же происходит смещение и при движении дислокации вдоль плоскости скольжения. Как осуществляется смещение при движении краевой и винтовой дислокаций, показано на рис. 2.13. На рис. 2.13 видно, что краевая дислокация движется параллельно своему вектору Бюргерса, в то время как винтовая дислокация движется перпендикулярно ему. В случае движения краевой дислокации плоскость, по которой происходит скольжение (часто она называется плоскостью скольжения), определяется единственным образом. Плоскость скольжения определяется ее нормалью где b— вектор Бюргерса и— единичный вектор положительного направления линии дислокации. Точно так же и в случае смешанной дислокации плоскость скольженияопределяется единственным образом. Однако для винтовой дислокации вектор b параллелени произведениеравно нулю, поэтому плоскость скольжения неопределенна. Фактически любая плоскость, для которойявляется зональной осью (т. е. линией пересечения множества плоскостей или линией, параллельной ей), есть возможная плоскость скольжения винтовой дислокации.
Таким образом, если винтовая дислокация при своем движении вдоль некоторой плоскости скольжения встретила бы какое-либо препятствие, она могла бы обойти его, перейдя на другую плоскость скольжения. Такой переход на новую плоскость скольжения движущейся винтовой дислокации называется поперечным скольжением (иллюстрация его дана на рис. 2.14). Такого поведения не наблюдается у краевых и смешанных дислокаций, поскольку для них плоскости скольжения определяются единственным образом. Однако если по каким-либо причинам нижний ряд атомов дополнительной плоскости краевой дислокации окажется удаленным или будет добавлен еще один ряд атомов, то эта плоскость будет заканчиваться уже на новой, параллельной прежней плоскости скольжения. Этот процесс, схематично изображенный на рис. 2.14, называется переползанием дислокации.
Таким образом, если бы движущаяся краевая дислокация встретила на своем пути препятствие, она могла бы переползти на новую параллельную плоскость скольжения и продолжать движение. Переползание дислокации является результатом диффузии вакансий в дислокацию, как показано на рис. 2.14, или диффузии межузельных атомов в дислокацию. Переползание дислокаций определяется диффузией и поэтому в значительной степени чувствительно к температуре, поскольку равновесная концентрация вакансий увеличивается с увеличением температуры.
Под диффузией понимается процесс необратимого переноса атомов вещества в объеме твердых тел и на их поверхности. С процессом диффузии связаны структурные изменения в материалах, процессы ухудшения их физических и механических свойств.
Диффузия в значительной степени определяет кинетику физико-химических процессов, обуславливающих возникновение отказов: разрушения материалов, ползучести, старения, коррозии и пр.
Обычно различают объемную, поверхностную и граничную (по границам зерен) диффузии.
Объемная диффузия в твердых телах обусловлена перескоками атомов из одного положения в другое, относительно свободное. Для такого перехода необходимо определенное количество энергии, которое может быть получено за счет нагрева материала, приводящего к тепловым колебаниям атомов.
Поверхностная диффузия связана с переносом вещества на поверхность детали из внешней среды или с поверхности детали во внешнюю среду. К этому же типу относится диффузия на поверхность материала из его объема или же вглубь материала с поверхности (сорбционные процессы).
Сорбционные процессы включают процессы адсорбции и абсорбции. Процесс адсорбции связан с явлением поверхностного поглощения вещества, а процесс абсорбции - с явлением объемного поглощения. Адсорбция газов или жидкостей из внешней среды приводит к ухудшению диэлектрических свойств изоляционных материалов, понижается прочность металлов и другие свойства. В ряде случаев, особенно в металлах, может иметь место внутренняя адсорбция, при которой примеси, растворенные в твердом теле, адсорбируются на внутренних поверхностях, чаще всего на границах зерен или дефектах структуры.
Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. При этом процессе происходит отделение от поверхности молекул ранее поглощенного ею вещества.
При анализе причин отказов важно различать физическую и химическую адсорбции. При физической адсорбции частицы адсорбируемого вещества сохраняют свои свойства; при химической — адсорбирующее вещество вступает в химическую реакцию с адсорбируемым, образуя новое вещество — адсорбат.
Сорбционные процессы могут ускорять процессы износа, коррозии и других видов разрушений, снижая ресурс элементов машин.
Возрастание уровня напряжений может явиться причиной активации механизма поперечного скольжения и освобождения скоплений дислокаций. Кроме того, особенно при повышении температуры может начаться процесс переползания дислокаций, проявляющийся макроскопически в виде явления, называемого разупрочнением.
Явление существования предела текучести также можно объяснить наличием скоплений дислокаций в некоторых областях, которые смещаются и внезапно начинают двигаться при достижении действующим напряжением некоторой критической величины. Макроскопически это проявляется в виде начала пластического течения, сопровождаемого внезапным снижением несущей способности некоторых элементов конструкции или образцов, которое наблюдается при достижении предела текучести. Установлено также, что существует связь между распределением дислокаций в деформированных сплавах и чувствительностью этих сплавов к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Распространение трещин при усталостном нагружении тоже можно качественно объяснить движением и взаимодействием дислокаций. Некоторые аспекты явления ползучести также объясняются движением и взаимодействием дислокаций. Однако еще очень многое предстоит сделать, прежде чем будут получены количественные соотношения между характеристиками взаимодействия дислокаций и макроскопического поведения материалов. Следует также отметить, что даже качественно пока еще не все особенности макроскопического поведения удовлетворительно объясняются с помощью дислокационной модели, хотя успехи в этом направлении достигаются практически ежедневно, открывая новые сведения подобного рода.