Дислокации – ловушки

Механизм Франка – Рида

Пусть дислокация, расположенная в плоскости скольжения (плоскости рисунка), закреплена в точках Аи А₁. Такое закрепление может быть при пересечении данной дислокации другими дислокациями, чужеродными атомами и т. д. Под действием возрастающего напряжения τ дислокация выгибается, пока не примет форму полусферы (II). Дальнейшее распространение дислокации происходит самопроизвольно путем образования двух спиралей. В точке С спирали встречаются (IV ), что приводит к образованию внешней замкнутой петли дислокации и нового участка дислокаций, занимающего исходную позицию А и А₁ (V ). Внешняя замкнутая дислокационная петля разрастается до внешней поверхности кристалла (зерна, блока), что приводит к элементарному сдвигу. Новая дислокация А – А₁(V) под действием напряжения τ начинает снова выгибаться, как описано выше. Если продолжает действовать напряжение τ, то из одного источника могут образоваться сотни дислокаций, и прекратятся они лишь в том случае, когда на пути развивающейся петли дислокаций встретится препятствие – новые системы дислокаций, частицы избыточных фаз, границы зерна и т. д.

Дислокация искажает кристаллическую решетку. Над плоскостью скольжения, где есть один лишний атом, межатомные расстояния меньше, чем вдали от дислокации. Под плоскостью скольжения расстояния между атомами наоборот значительно больше (она растяжения). При формировании твердых растворов атомы одного из компонентов искажают кристаллическую решетку растворителя. Следовательно, если атом вызывает растяжение решетки, то он займет положение под краем лишней полуплоскости, где решетка уже растянута. Если атом сжимает решетку – с противоположной стороны от плоскости скольжения. Суммарная энергия искажений решетки, вызванных присутствием в ней дислокации и постороннего атома, уменьшится, что указывает на существующую между ними силу упругого взаимодействия, они испытывают взаимное притяжение.

Процесс диффузионного перемещения атомов второго компонента к дислокациям приводит к образованию атмосфер или облаков – скоплений атомов вдоль дислокационных линий. (В α-железе, содержащем углерод подобный процесс заканчивается примерно за сутки) Следствия образования атмосфер (облаков):

1) способствует значительной неоднородности распределения второго компонента в растворе;

2)уменьшается подвижность дислокаций. (дислокация окруженная атмосферой, может двигаться в решетке либо вместе с атомами, либо должна вырваться из «невольного плена». Подвижность атомов регулируется главным образом температурой и определяется величиной коэффициента диффузии, а скорость дислокации зависит, в основном, от величины действующего напряжения. При высоких напряжениях может приближаться к скорости звука – скорость распространения упругих волн. Даже при высоких температурах атмосфера не может угнаться за дислокацией. Возникает сила притяжения между дислокацией и атмосферой, направленная против приложенной внешней силы. Для преодоления данной силы необходимо совершить дополнительную работу.)

3) при диффузионном перемещении атомов в решетке дислокация выступает в роли ловушки. Она будет стремиться захватывать движущиеся атомы, стремясь включить их в свою атмосферу. Если включить атом в атмосферу не удается, дислокация может притормозить его движение. В диффузионных терминах это звучит так: увеличивается время оседлой жизни атома, вблизи дислокации уменьшается частота его скачков в нужном направлении.

4) Если встретившаяся атому дислокация ориентирована таким образом, что ее ось совпадает с направлением диффузионного потока (дислокационная трубка), то коэффициент диффузии атома будет составлять ~10^-5 см²/с (такой же порядок имеет коэффициент диффузии атомов в жидком металле!!!), т.е. он в миллиарды раз превышает коэффициент диффузии в нормальной, неискаженной решетке при не очень высоких температурах. (Почему следы на мокром песке в первый момент сухие? Ступая на мокрый песок, мы нарушаем плотную упаковку песчинок, при этом увеличивается объем пор, которые могут быть заполнены водой. Вода уходит с поверхности песка, и след оказывается сухим. Кельвин.)