Transcript Скольжение дислокаций

Введение в физические
свойства твёрдых тел
Лекция 3. Механические свойства
твёрдых тел. Пластическая
деформация
Структура раздела




Суть явления пластической деформации
Основные понятия
Механизмы пластичности
Дислокационная структура т.т.




Движение дислокаций
Образование дислокаций
Поля напряжений дислокаций
Взаимодействие дислокаций
2
Суть явления

Кривая зависимости
напряжения от
деформации (кривая
деформации)




У – область упругой
деформации
I – область лёгкого
скольжения
II – область упрочнения
(наклёп)
III – область
разупрочнения
3
Суть явления

Стадийность
пластического
течения обусловлена
изменениями в
дислокационной
структуре


Клубковая структура
Ячеистая структура
4
Основные понятия



Предел упругости – напряжение, при
котором заканчивается стадия упругой
деформации
Предел текучести – напряжение, при
котором резко меняется наклон кривой
деформации. Соответствует началу
пластической деформации
Коэффициент упрочнения (модуль
пластичности) – тангенс угла наклона
кривой деформации
5
Суть явления
Скольжение – это трансляция одной части
кристалла по отношению к другой без изменения
объёма. Трансляция происходит по определенной
плоскости (плоскость скольжения) и в определенном
кристаллографическом направлении (направление
скольжения).
до деформации
после деформации
6
Суть явления
Скольжение обеспечивает необратимые деформации сдвига,
растяжения и сжатия.
L
Lo
S
   tg
h
деформация сдвига
L  Lo

Lo
деформация
растяжения, сжатия
7
Скалывающее напряжение
F
t  F cosb/(S/cos)(F/S) cosb cos
S
направление скольжения
N
 b
S’
s  F/S
 + b  90o
tmax=0.5 s, при b45o
Скольжение происходит только под действием тангенциальных
(касательных) напряжений.
Скольжение начинается, когда t превышает критическое значение,
характерное для данного вещества и данной системы скольжения.
Это закон постоянства критического скалывающего напряжения
(закон Шмида и Боаса).
Система скольжения =
плоскость скольжение + направление скольжения
8
Суть явления

Оценка критического
напряжения для
скольжения
t t(max)∙sin(2πx/b), а при малых х
t  t(max)∙2πx/b
b
t G∙x/b – закон Гука, G – модуль сдвига,
t х/b – деформация
t(max)∙2πx/b= G∙x/b,
t(max)= G/ 2π
Экспериментальные значения t(max) в 104
– 105 раз меньше
9
Механизмы пластичности
Диффузионные
1.
Движение точечных дефектов




2.
При неоднородном напряжении (эффект Горского)
При однородном напряжении (диффузионная
ползучесть, диффузионное течение)
Переползание краевых дислокаций
(дислокационная ползучесть)
Дислокационный
10
Механизмы пластичности
1
L
Lo
Скольжение дислокаций
2
Дислокационная ползучесть
3
Диффузионная ползучесть
11
Механизмы пластичности
12
Дислокационный механизм
пластичности
Поляни, Орован, Тейлор – 1934 г.
13
Дислокации
краевая
винтовая
b
b
EE’
b
SS’ // b
смешанная
b
14
Вектор Бюргерса





Вектор Бюргерса – кратен вектору трансляции
кристаллической структуры (решётки Бравэ)
Вектор Бюргерса краевой дислокации
перпендикулярен линии дислокации
Вектор Бюргерса винтовой дислокации параллелен
линии дислокации
Вектор Бюргерса любой дислокации можно
представить как сумму краевой и винтовой компонент
Вектор Бюргерса имеет постоянное значение и не
меняется вдоль линии дислокации
15
Вектор Бюргерса

При разветвлении дислокационной линии величина
вектора Бюргерса не меняется
b2
b
b
b1
b2
b1
b = b1 + b2
16
Энергия дислокации
2
Eвинтовой
Eкраевой
Gb
R
 L
 ln
4
ro
Gb 2
R
 L
 ln
4 (1  )
ro
G - модуль сдвига,
b - вектор Бюргерса,
 коэффициент Пуассона,
R – радиус зоны,
ro – радиус ядра дислокации
ro~ 3b
Е – энергия ядра дислокации
E    Gb 2 ,   0.5
17
Энергия дислокации


Вклад энергии ядра дислокации в общую энергию
близок к 10 %. Таким образом, основной вклад в
энергию дислокаций вносит поле дальнодействующих
упругих напряжений.
Энергия дислокации длиной в один параметр решётки
значительна E ~ 0.5Gb3 ~3 эВ. Дислокация является
неравновесным дефектом и не может возникнуть
самопроизвольно в результате термических
флуктуаций как вакансия.
18
Скольжение дислокаций
b
Скольжение дислокаций – процесс периодического ослабления и
восстановления связей в ядре дислокации.
Плоскость скольжения должна содержать линию дислокации и вектор
Бюргерса.
19
Скольжение дислокаций
Барьер Пайерлса – Набарро определяет сопротивление кристаллической
решётки скольжению.
t ПН
2G
d

 exp(2   
)
q
q b
q=1 для винтовой дислокации, q=1- для краевой дислокации
Чем меньше вектор Бюргерса b и больше межплоскостное расстояние
d, тем меньше барьер Пайерлса – Набарро.
d/b=1
tПН=4 10-3G
d/b=1.5
tПН=1.5 10-4G
20
Скольжение дислокаций
L
b
Любая плоскость, содержащая
линию дислокации, является
плоскостью скольжения для
винтовой дислокации.
Краевая дислокация имеет
единственную плоскость
скольжения. N=L×b
b
L
21
Скольжение дислокаций

Наблюдаемые системы скольжения


Дислокация должна иметь наименьший вектор
Бюргерса т.к. E ~Gb2. b – минимальный вектор
трансляции
Плоскость скольжения должна иметь максимальное
значение межплоскостного расстояния - d.
Плоскости скольжения – плоскости, имеющие
максимальную плотность узлов решётки
22
Скольжение дислокаций
ГЦК металлы
Минимальный вектор трансляции - а/2 [110]
Плоскости с максимальной плотностью узлов и
максимальным d
-
{111}
В ГЦК решётке 4 различных плоскости {111}, в каждой содержится 3
вектора а/2 [110], поэтому всего 4х3=12 систем скольжения.
23
Скольжение дислокаций
ОЦК металлы
Минимальный вектор трансляции - а/2 [111]
Плоскости с максимальной плотностью узлов и
максимальным d
-
{110}
В ОЦК решётке 6 различных плоскости {110}, в каждой содержится 2
вектора а/2 [111], поэтому всего 6х2=12 систем скольжения.
24
Скольжение дислокаций
CsCl
Минимальный вектор трансляции - а [100]
Плоскости с максимальной плотностью узлов и
- {100}, но эти плоскости состоят из
ионов одного знака, скольжение происходит по {110}.
максимальным d
В ГЦК решётке 6 различных плоскости {110}, в каждой содержится 1 вектор
а [001], поэтому всего 6х1=6 систем скольжения.
25
Скольжение дислокаций
NaCl
Минимальный вектор трансляции – а/2 [110]
Плоскости с максимальной плотностью узлов и
- {111}, но эти плоскости состоят из
ионов одного знака, скольжение происходит по {110}.
максимальным d
В ГЦК решётке 6 различных плоскости {110}, в каждой содержится 1 вектор
а [110], поэтому всего 6х1=6 систем скольжения.
26
Скорость скольжения дислокаций
V  A t n
27
Переползание дислокаций
Переползание дислокаций – это движение краевой дислокации в
направлении перпендикулярном как линии дислокации, так и вектору
Бюргерса.
В результате переползания дислокации происходит образование или
исчезновение точечных дефектов (вакансий или межузельных атомов).
Дислокация – сток вакансий
Переползание
дислокации
вакансия
28
Переползание дислокаций
Дислокация – источник вакансий
Переползание
дислокации
вакансия
29
Заключение




При относительно низких приложенных
напряжениях у многих материалов наблюдается
заметная необратимая деформация
При нагружении образца осуществляется
скольжение
Сравнение экспериментальных данных и
теоретических оценок приводит к выводу о
существовании дислокационного механизма
пластичности
Кроме дислокационного имеются диффузионные
механизмы пластичности
30
Заключение



Неравновесные концентрации дислокаций
возникают в результате пластической
деформации т.т.
Имеются определённые направления
скольжения вдоль некоторых
кристаллографических плоскостей. Эти
направления и плоскости составляют системы
скольжения
Движение дислокаций может осуществляться
скольжением и переползанием
31
Контрольные вопросы






В чём заключается явление пластической
деформации?
Какие области выделяют на кривой
деформации?
Что такое предел упругости?
Что такое предел текучести?
Что такое модуль пластичности?
Что такое скольжение?
32
Контрольные вопросы




Что такое скалывающее напряжение?
Назовите механизмы пластической
деформации
Как температура влияет на эффективность
различных механизмов пластической
деформации?
Чем определяется энергия дислокации?
Зависит ли упругая энергия дислокации от
величины вектора Бюргерса?
33
Контрольные вопросы




Какова величина энергии дислокации?
Каков вклад в энергию ядра дислокации?
Сколько плоскостей скольжения имеют
краевая и винтовая дислокации? Как они
расположены?
Что такое система скольжения? Каким
принципам она должна удовлетворять?
Какие системы скольжения наблюдаются в
ГЦК металлах?
34
Контрольные вопросы



Какие системы скольжения наблюдаются в
ОЦК металлах?
Как зависит скорость движения
дислокаций от приложенного напряжения?
Что такое переползание дислокации?
Могут ли переползать винтовые
дислокации? Как переползание
дислокаций влияет на концентрацию
точечных дефектов в кристалле?
35
36