Theme 5. Торможение дислокаций

Дислокации всегда тормозятся под действием различных факторов. Движение дислокаций может быть полностью остановлено, но, при определенных условиях, оно может начаться вновь. Движение и торможение дислокаций оказывает решающее влияние на большое количество процессов (пластическая деформация, рекристаллизация и т.д.) и механические свойства в металле.

Сила Пайерлса

На рисунке показано изменение потенциальной энергии краевой дислокации при ее перемещении на одно межатомное расстояние в совершенном кристалле. Показан потенциальный рельеф на пять межатомных расстояний. Внизу указана длина дислокации.

При перемещении дислокации в соседнее положение (на одно межатомное расстояние) атомы начинают смещаться и нарушается симметрия межатомных сил, т.е. существует потенциальный барьер. На рисунке устойчивое исходное положение дислокации с минимумом энергии (энергетическая яма) показано впадинами, а барьер возвышенностями. Потенциальная энергия дислокации является периодической функцией. Для преодоления барьера и перемещения в соседнее положение с минимумом энергии дислокация должна повысить свою потенциальную энергию за счет действия внешней силы, которую назвали по имени авторов сила Пайерлса или сила Пайерлса – Набарро.

Величина этой силы определяется свойствами решетки, поэтому ввели понятие о силе «трения» в решетках. Из уравнения (16) - f = bt, определяющего силу действующую на единицу длины дислокации, можно для силы Пайерлса написать f_п = bt_п, где t_п – минимальное касательное напряжение Пайерлса, необходимое для скольжения дислокации в совершенном кристалле. Точный расчет силы Пайерлса до сих пор не осуществлен из-за недостатка знаний, но Пайерлс создал следующее выражение:

t_п = 2G/(1-μ) exp[ - 2π/(1-μ) × d/b], (20)

где d – расстояние между соседними атомными плоскостями, в которых происходит скольжение. Увеличение модуля сдвига G и d повышает, а уменьшение b снижает t_п. Для ретикулярных плоскостей и направлений соотношение d/b обычно наибольшее. С этим согласуется то, что скольжение легче всего идет в ретикулярных плоскостях и направлениях.

Предполагается случай перегиба дислокации и расположения в двух соседних потенциальных ямах (рисунок – вариант А). При движении перегиба вдоль линии дислокации дислокация может полностью перейти в соседнее положение. При этом силы действуют на конфигурацию атомов только в районе перегиба. Требуемое для этого напряжение значительно меньше напряжения Пайерлса. Возможно «выбрасываение» полупетли линии дислокации в соседнюю потенциальную яму под действием термической активации (рисунок – вариант В). Расхождение перегибов разные стороны также требует меньших напряжений.

Основная идея теории дислокаций заключается в представлении о неодновременности протекания акта скольжения. Это распространяется и на перемещение самой линии дислокации.