Dyslokacje

Dyslokacje


Defekty liniowe, zwane dyslokacjami, mają jeden wymiar znacznie większy w porównaniu z dwoma pozostałymi (poprzecznymi). Wokół nich następuje zniekształcenie sieci. Początkowo zostały one wprowadzone na bazie rozważań teoretycznych w celu wytłumaczenia rozbieżności między teoretyczną i rzeczywistą granicą plastyczności kryształów. Podczas gdy teoretyczne naprężenie poślizgu (dla idealnych kryształów) wynosi G/30 (G - moduł ścinania), to rzeczywiste jest ok. 1000 razy mniejsze i wynosi poniżej 1 MPa. Póżniej wykryto występowanie dyslokacji w kryształach i stwierdzono, że odgrywają one zasadniczą rolę w procesie odkształcenia plastycznego metali, a także przy ich umocnieniu. Dyslokacje różnią się orientacją, sposobem ich powstawania i własnościami. Dyslokacje wprowadzają zaburzenie układu atomów ułatwiające ich przesuwanie się względem siebie pod wpływem naprężeń, a więc odkształcenie plastyczne. Poza tym są one ośrodkami nagromadzenia energii odkształcenia, odgrywają rolę w dyfuzji, przemianach fazowych, korozji i innych procesach. Ogólnie dyslokacje dzieli się na krawędziowe, śrubowe lub mieszane, jednostkowe lub cząstkowe, poślizgowe lub osiadłe.

Dyslokacja krawędziowa

Najprostszym modelem dyslokacji krawędziowej jest kryształ, z którego usunięto lub do którego wstawiono fragment płaszczyzny atomowej tzw. ekstrapłaszczyzny (Rys. 1.).
W miejscu ekstrapłaszczyzny powstają naprężenia ściskające, a pod nią rozciągające. Krawędź ekstrapłaszczyzny jest dyslokacją krawędziową. Płaszczyzna prostopadła do ekstrapłaszczyzny i przechodząca przez jej krawędź a-c stanowi płaszczyznę poślizgu tej dyslokacji i działają w niej naprężenia styczne. Wzdłuż płaszczyzny poślizgu występuje niezgodność w układzie atomów, gdyż ekstrapłaszczyzna wprowadza dodatkowy atom, który nie ma odpowiednika poniżej niej. To znacznie ułatwia ścinanie kryształu wzdłuż płaszczyzny poślizgu, czyli poślizg.

Rys.1. Schemat powstawania dyslokacji krawędziowej w krysztale idealnym
W zależności od usytuowania ekstrapłaszczyzny można umownie rozróżniać dyslokacje dodatnie (z ekstrapłaszczyzną skierowaną nad płaszczyznę poślizgu) oznaczane symbolem lub ujemne ( z ekstrapłaszczyzną skierowaną pod płaszczyznę poślizgu) oznaczane symbolem . O dyslokacjach takich mówi się, że mają przeciwne znaki (ich pola naprężeń są obrócone o 180). Jeśli takie dyslokacje znajdują się na jednej płaszczyźnie poślizgu, wówczas się przyciągają, a po spotkaniu następuje ich anihilacja. Dyslokacje krawędziowe jednakowego znaku odpychają się.

Dyslokacja śrubowa

Modelem dyslokacji śrubowej jest kryształ, w którym nastąpiło ścięcie o jedną odległość międzyatomową wzdłuż określonej płaszczyzny pod warunkiem, że wszystkie atomy na części płaszczyzny poślizgu zostaną przesunięte w tym samym kierunku, równolegle do granicy tego przesunięcia (linia c-d na rys.2.), to linia c-d stanowi dyslokację śrubową. Efektem dyslokacji śrubowej jest charakterystyczne zniekształcenie sieci kryształu polegające na tym, że płaszczyzny atomowe prostopadłe do linii dyslokacji tworzą powierzchnię śrubową, przy czym dyslokacja jest jej osią. W zależności od kierunku skręcenia płaszczyzn atomowych dyslokacje mogą być prawo lub lewoskrętne. Mówi się, że są to dyslokacje przeciwnych znaków, gdyż, jeśli są równoległe przyciągają się, a po spotkaniu ulegają anihilacji. Dyslokacje tego samego znaku odpychają się. Dyslokacje śrubowe mogą przemieszczać się przez poślizg po każdej płaszczyźnie, na której znajduje się dyslokacja, ale nie mogą się wspinać.

Rys.2. Schemat powstawania dyslokacji śrubowej

Jeśli jako podstawę definicji dyslokacji przyjmiemy orientację tzw. wektora Burgersa b (co do wielkości równego najbliższej odległości międzyatomowej w kierunku poślizgu) względem kierunku dyslokacji, to okazuje się, że różnica między dyslokacjami jest głównie ilościowa. W przypadku dyslokacji krawędziowej kąt między linią dyslokacji i b jest równy 90, a dla dyslokacji śrubowej jest równy zeru. Różnice w orientacji b mają jednak swe konsekwencje w zróżnicowaniu własności dyslokacji, głównie w charakterze pól naprężeń, możliwości ruchu, oddziaływania z defektami punktowymi i inne. Jeśli kąt ten jest zawarty między 0 i 90 mamy do czynienia z dyslokacją mieszaną. Dyslokacja taka może być jednakże rozłożona na składowe krawędziowe i śrubowe.

Wektor Burgersa wskazuje kierunek i wielkość przesunięcia atomów przy powstawaniu lub ruchu dyslokacji. Wektor Burgersa jednoznacznie charakteryzuje dyslokację. Dla tej samej dyslokacji, b ma wartość stałą. Kierunek, zwrot i wielkość wektora Burgersa można wyznaczyć za pomocą tzw. obwodu Burgersa.

Dyslokacje mogą powstawać w różny sposób:
a. podczas wzrostu kryształu z cieczy lub pary,
b. drogą kondensacji wakancji,
c. w wyniku działania pól naprężeń wewnętrznych,
d. na skutek rozmnażania się dyslokacji (w wyniku naprężeń zewnętrznych),
e. poprzez heterogeniczne zarodkowanie.