¿Cuál es el concepto de dislocaciones geométricamente necesarias y su impacto en la plasticidad?

1. Definición

La dislocación también se puede llamar dislocación (en inglés: dislocación, en ciencia de materiales, se refiere a un defecto microscópico interno en un material cristalino, es decir, un local). parte de un átomo. Disposición irregular (defectos cristalográficos). Desde un punto de vista geométrico, la dislocación es un tipo de defecto lineal, que puede considerarse como la línea divisoria entre la parte deslizada y la parte no deslizada en el cristal. Su existencia tiene un gran impacto en las propiedades físicas del material, especialmente. las propiedades mecánicas. El concepto de "dislocación" fue propuesto por primera vez por el matemático y físico italiano Vito Volterra en 1905.

Las luxaciones ideales se presentan principalmente de dos formas: luxaciones de borde y luxaciones de tornillo. Las dislocaciones mixtas tienen características de ambas.

Esta teoría puede explicar el comportamiento de las dislocaciones en cristales reales: pueden moverse en el cristal, pero su tipo y características permanecen sin cambios durante el movimiento dos dislocaciones con direcciones opuestas (vector de Burgers) Cuando las dislocaciones se mueven hacia; en el mismo punto, ambas desaparecerán o se "aniquilarán". Si no interactúan con otras dislocaciones ni se mueven a la superficie del cristal, entonces ninguna dislocación individual no "desaparecerá" por sí sola (es decir, el vector de Burgers siempre se conserva).

El concepto geométrico de dislocación

① La disposición atómica del cristal cúbico simple (simple

cúbico) y ② La dislocación del borde del diagrama del plano cristalino y la dislocación del tornillo son los principales dos tipos de dislocaciones. Sin embargo, las dislocaciones que existen en los cristales reales suelen ser dislocaciones mixtas, es decir, tienen las características tanto de dislocaciones de borde como de dislocaciones de tornillo.

Los materiales cristalinos están compuestos de átomos dispuestos regularmente. Estos átomos generalmente se abstraen en puntos con un volumen insignificante, y la microestructura ordenada en la que están dispuestos se denomina red espacial. Los átomos apilados capa por capa forman una serie de planos de red, llamados planos cristalinos (puedes imaginar la disposición de los átomos en un cristal como naranjas empaquetadas regularmente en una caja). La disposición específica se muestra en la Figura 2. En un cristal libre de dislocaciones (cristal completo), las caras del cristal (paralelogramos rojos en la Figura 2) están dispuestas regularmente a intervalos iguales

2 Dislocación de bordes

③A La disposición del cristal. planos cerca de las dislocaciones del borde La línea negra en la figura representa la dirección del vector de Burgers y la línea azul es la línea de dislocación.

④La disposición de los átomos cerca de una dislocación de borde se observa a lo largo de la dirección paralela a la línea de dislocación. Si un plano cristalino termina repentinamente en una determinada línea dentro del cristal, esta disposición irregular se llama dislocación. Como se muestra en ③ y ④, el plano atómico cerca de la dislocación del borde se distorsionará en la dirección de la línea de dislocación y se dislocará.

Una dislocación de borde puede determinarse únicamente mediante dos cantidades: la primera es la línea de dislocación, es decir, la línea recta donde termina el plano del medio átomo sobrante, la segunda es el vector de Burgers (Burgers

vector, denominado vector de Burger o vector de Burger), que describe la magnitud y dirección de la distorsión de la superficie atómica causada por las dislocaciones. Para una dislocación de borde, la dirección de su vector de Burgers es perpendicular a la dirección de la línea de dislocación.

Usando la teoría de la mecánica elástica, el campo de tensión causado por la dislocación del borde se puede calcular como:

σxx=―[μb*y(3x^2 y^2)]/[2π ( 1―v)(x^2 y^2)]

σyy=―[μb*y(x^2-y^2)]/[2π(1-v)(x^2 y ^2)

τzz=―[μb*x(x^2-y^2)]/[2π(1-v)(x^2 y^2)

donde μ es el módulo de corte del material, b es el vector de Burgers, ν

es la relación de Poisson y xey son los componentes de coordenadas rectangulares. Se puede ver en la solución anterior que en el lado que contiene el plano de medio átomo en exceso (y gt; 0), el material está sujeto a tensión de compresión (σxx lt;

0); del plano de medio átomo sobrante "desaparece" En un lado (y lt; 0), el material está sometido a una tensión de tracción (σxx gt; 0).

Dislocación del tornillo

Como se muestra en ⑤, imagine los planos de cristal dispuestos regularmente como una pila de trozos de papel con un espaciado fijo si la pila de trozos de papel está cortada (pero no completamente cortada). ) ), y luego mueva un lado de la parte cortada medio nivel hacia arriba y el otro lado hacia abajo medio nivel para formar una disposición similar a la esquina de las escaleras. En este momento, el final de la "línea de corte" (aquí). se ha formado El plano atómico cerca de una línea de dislocación perpendicular al plano del papel) se distorsionará. Esta disposición irregular de los átomos se llama dislocación de tornillo.

⑤ A partir de la disposición de los planos cristalinos cerca de una dislocación de tornillo, se puede ver que el vector de Burgers de la dislocación de tornillo es paralelo a la dirección de su línea de dislocación.

Aunque la imagen no es muy intuitiva, el campo de tensión de la dislocación del tornillo es mucho más fácil de resolver que el campo de tensión de la dislocación del borde. Bajo la aproximación de primer orden, sólo un componente de tensión cortante del campo de tensión de dislocación del tornillo no es cero: τr=-μb/2πr

donde μ es el módulo de corte del material, b es el vector de Burgers , r

es el componente del eje polar de las coordenadas polares del punto.

La solución de tensión muestra que el campo de tensión cerca de la dislocación del tornillo se distribuye axialmente simétricamente y su tamaño disminuye de adentro hacia afuera. Sin embargo, cabe señalar que la solución anterior generará una tensión infinita en la región del núcleo de la dislocación (r = 0), lo cual es inconsistente con la situación real. Por lo tanto, la expresión de tensión anterior no es aplicable a la región severamente distorsionada del núcleo de la dislocación.

3. Dislocación mixta

Como se mencionó anteriormente, el vector de Burgers de dislocación del borde es perpendicular a la dirección de la línea de dislocación, y el vector de Burgers de dislocación del tornillo es paralelo a su posición. Dirección de línea incorrecta. Sin embargo, el vector de dislocaciones de Burgers en materiales reales a menudo no es paralelo ni perpendicular a la dirección de la línea de dislocaciones. Estas dislocaciones tienen las características de dislocaciones de borde y dislocaciones de tornillo, y se denominan dislocaciones mixtas.

Observación indirecta de la dislocación

Si la línea de dislocación en el material se cruza con la superficie del material (comúnmente conocida como "afloramiento" de dislocación), el campo de tensión de dislocación cerca de la intersección Si existe un punto, su estabilidad química será menor que la de otras partes de la superficie. Si se utiliza un agente corrosivo ácido (como una solución mixta de ácido fluorhídrico y ácido nítrico) para corroer dicha superficie, la velocidad de corrosión en los "afloramientos" de dislocación será mucho mayor que en otras partes, y se puede formar un "pozo de corrosión". formarse. Utilizando algunas técnicas de observación microscópica de superficie (como microscopía electrónica de barrido, microscopía de interferencia, etc.), se puede observar la posición de "afloramiento" de la dislocación. La Figura 6 muestra la forma de las picaduras de corrosión por dislocación en la superficie de la oblea de silicio preparada mediante el método anterior bajo un microscopio de interferencia. La orientación cristalográfica de la oblea de silicio se puede determinar basándose en la forma del borde de la picadura de corrosión. el óvalo representa la superficie del plano cristalino de la oblea de silicio (100), el triángulo representa el plano cristalino (111) en la superficie de la oblea de silicio.

Si se aplica una fuerza externa para provocar una serie de pequeñas deformaciones en el material, una dislocación específica quedará en una posición diferente después de cada deformación. Si la superficie del material se corroe después de cada deformación, una serie de picaduras de corrosión formadas por la misma dislocación mostrarán aproximadamente la trayectoria del movimiento de la dislocación.

La premisa para realizar las observaciones anteriores es que la superficie del material se puede procesar hasta obtener una suavidad suficientemente alta o una rugosidad suficientemente baja.

Observe directamente la fotografía del microscopio electrónico de transmisión de ⑦ dislocación

La fotografía del microscopio electrónico de transmisión de ⑧ dislocación

Utilice el microscopio electrónico de transmisión (Transmisión

El microscopio electrónico

(TEM para abreviar) puede observar directamente dislocaciones en la microestructura de los materiales. El primer paso en la observación TEM es procesar la muestra de metal hasta convertirla en una película delgada a través de la cual pueda pasar el haz de electrones. En una región donde no hay dislocaciones, los electrones pueden difractarse al pasar a través de planos cristalinos dispuestos regularmente a intervalos iguales. El ángulo de difracción, el espaciado de los planos cristalinos y la longitud de onda de los electrones satisfacen la ley de Bragg (ley de Bragg). Cerca del área donde existe la dislocación, la red cristalina se distorsiona, por lo que la intensidad de la difracción también cambiará en consecuencia. Por lo tanto, la imagen formada en el área cercana a la dislocación formará un contraste con el área circundante. Este es el uso de TEM para. observar dislocaciones El principio básico es que la diferencia de contraste causada por las razones anteriores se llama contraste de difracción.

En ⑦ y ⑦, las líneas oscuras en el área ligeramente más brillante (grano) en el medio son las imágenes de las dislocaciones observadas.

Dado que los diferentes granos de cristal en materiales policristalinos tienen diferentes orientaciones cristalográficas, también existen diferencias de contraste entre los granos. Esta es la razón por la que el área central en las Figuras 7 y 8 es más brillante que el área circundante. Vale la pena señalar que la imagen de dislocación en la figura tiene una forma de "serpiente", que es la forma típica de las dislocaciones bajo TEM cuando la línea de dislocación pasa a través de la muestra (película) en la dirección del espesor; El final de la imagen de dislocación en la figura se debe en realidad a que la línea de dislocación llega a la superficie de la muestra en lugar de terminar dentro de la muestra. Todas las dislocaciones sólo pueden terminar dentro del grano en forma de bucles de dislocación.

Cuando se utiliza TEM para observar dislocaciones, el aumento generalmente se elige entre 50.000 y 300.000 veces, lo que está lejos de alcanzar el límite de aumento de TEM. Algunos TEM también están equipados con un dispositivo para calentar/deformar la muestra in situ durante la observación, que puede observar directamente el movimiento de las dislocaciones en tiempo real.

Las tecnologías de microscopía de iones de campo

(FIM) y de sonda atómica (sonda

atómica) proporcionan un mayor aumento (generalmente de 3 millones de veces o más). El método de observación puede observar directamente dislocaciones en la superficie del material a escala atómica.

4. Fuente de dislocación

La densidad de dislocación en el material aumentará a medida que avanza la deformación plástica, y su número satisface aproximadamente la relación:, donde τ

es la tensión de flujo plástico, ρ

es la densidad de dislocación. De esta relación se puede inferir que deben existir mecanismos para el origen y proliferación de dislocaciones dentro del material. Estos mecanismos se activarán bajo la acción de tensiones externas para proporcionar un mayor número de dislocaciones.

Se ha descubierto que en los materiales existen los siguientes tres mecanismos de origen (nucleación) de las dislocaciones: nucleación uniforme, nucleación en el límite de grano y nucleación en la interfaz, la última de las cuales incluye varias fases de precipitación, fase de dispersión o fibras de refuerzo. , etc.

Hay tres mecanismos principales para la propagación de dislocaciones: mecanismo de fuente de dislocación Frank-Read (fuente Frank-Read

fuente), mecanismo de propagación de doble deslizamiento cruzado y mecanismo de proliferación trepadora.

5. Dislocación, deslizamiento y plasticidad cristalina

Antes de la década de 1930, el mecanismo microscópico del comportamiento mecánico plástico de los materiales ha sido un problema importante que preocupaba seriamente a los científicos de materiales. En 1926, el físico soviético Jacov

Frenkel partió del modelo de cristal completo ideal y supuso que cuando el material sufre un corte plástico, microscópicamente corresponde a los dos lados del plano de corte, los dos cristales más densamente empaquetados. Los planos (es decir, los planos cristalinos con el mayor espaciado adyacente) experimentan un deslizamiento sincrónico general. El esfuerzo cortante crítico teórico τm calculado según este modelo es [4]: ​​​​

donde G es el módulo de corte. Generalmente, el valor G de los metales de uso común es de aproximadamente 104 MPa ~ 105 MPa, y la resistencia al corte teórica calculada a partir de esto debe ser de 103 MPa ~ 104 MPa. Sin embargo, en las pruebas de deformación plástica, los límites elásticos medidos de estos metales fueron solo de 0,5 a 10 MPa, tres órdenes de magnitud inferiores a la resistencia teórica. Ésta es una contradicción enorme y confusa.

1934, Egon

Orowan, Michael Polanyi y G.I. Taylor

Taylor ) Tres científicos propusieron la teoría del mecanismo de dislocación de la deformación plástica casi simultáneamente, resolviendo el problema de la contradicción entre las predicciones teóricas anteriores y los resultados reales de las pruebas [5], [6], [7]. La teoría de las dislocaciones cree que la razón por la que existe la contradicción anterior es que el corte del cristal no es el deslizamiento rígido general de un lado con respecto al otro, sino que se realiza mediante el movimiento de las dislocaciones. Cuando una dislocación se mueve desde el interior del material a la superficie del material, es equivalente a que toda el área barrida por su línea de dislocación se deslice una unidad de distancia (la distancia entre dos planos cristalinos adyacentes) a lo largo de la dirección de la dislocación. vector. De esta manera, a medida que las dislocaciones continúan originándose desde el interior del material y moviéndose hacia la superficie, se puede proporcionar el deslizamiento intercristalino necesario para la deformación plástica continua.

En comparación con el deslizamiento global, que requiere romper los enlaces de todos los átomos en un plano cristalino con átomos en planos cristalinos adyacentes, el deslizamiento por dislocación solo necesita romper los enlaces de unos pocos átomos cerca de la línea de dislocación, por lo que la tensión de corte adicional requerida será enormemente reducido.

En el “procesamiento en frío” de materiales (generalmente se refiere al procesamiento mecánico de materiales a una temperatura absoluta inferior a 0,3

Tm, Tm

es la punto de fusión del material (temperatura absoluta), la densidad de dislocación interna aumentará debido a la activación de los mecanismos de iniciación y proliferación de la dislocación. Con el inicio de dislocaciones en diferentes sistemas de deslizamiento y el aumento de la densidad de dislocaciones, también aumentará el número de intersecciones entre dislocaciones, lo que aumentará significativamente la resistencia al deslizamiento, manifestándose como la "transformación" del material en el comportamiento mecánico. Deformación más dura" se llama endurecimiento por trabajo (endurecimiento por trabajo) o endurecimiento por deformación (endurecimiento por deformación). Las dislocaciones enredadas a menudo se pueden encontrar en materiales cuando ocurre inicialmente la deformación plástica, y los límites de las regiones enredadas a menudo se vuelven borrosos después de que ocurre el proceso de recuperación dinámica, diferentes regiones enredadas de dislocaciones evolucionarán hacia independientes. La estructura celular tiene una diferencia de orientación cristalográfica (pequeña); límite de grano angular) de menos de 15° entre estructuras celulares adyacentes.

El endurecimiento por deformación debido a la acumulación y bloqueo mutuo de dislocaciones puede eliminarse mediante un tratamiento térmico adecuado, que se denomina recocido. Los procesos como la recuperación o recristalización que ocurren dentro del metal durante el proceso de recocido pueden eliminar la tensión interna del material e incluso restaurar completamente las propiedades del material antes de la deformación.

Subida de la dislocación de borde

⑨ Subida de la dislocación de borde Una dislocación puede deslizarse en el plano que contiene su vector de Burgers y la línea de dislocación. El vector de Burgers de una dislocación de tornillo es paralelo a la línea de dislocación, por lo que puede deslizarse en cualquier plano en el que se encuentre la línea de dislocación. El vector de Burgers de una dislocación de borde es perpendicular a la línea de dislocación, por lo que tiene un solo plano de deslizamiento. Sin embargo, las dislocaciones de borde también tienen otra forma de movimiento en la dirección perpendicular a su plano de deslizamiento, que es el ascenso, es decir, el alargamiento o acortamiento de los planos de semiátomos sobrantes que constituyen la dislocación de borde.

La fuerza impulsora de la escalada proviene del movimiento de los espacios vacíos en la red cristalina. Como se muestra en ⑨, si una vacante se mueve a una posición adyacente a la línea de dislocación en la superficie de deslizamiento de la dislocación del borde, los átomos en el núcleo de la dislocación pueden "saltar" a la vacante, causando un plano de medio átomo (dislocación La dislocación núcleo) se mueve hacia arriba una distancia atómica. El proceso en el que esta dislocación del borde "absorbe" la vacante se llama escalada positiva. Si, por el contrario, los átomos se llenan por debajo del plano del medio átomo, lo que hace que el núcleo de dislocación se mueva hacia abajo una distancia atómica, se llama ascenso negativo.

Dado que el ascenso positivo conduce a la contracción del exceso de planos de medio átomo, el cristal se contraerá en la dirección perpendicular al plano de medio átomo; por el contrario, el ascenso negativo hará que el cristal se expanda en la dirección perpendicular; al plano del medio átomo. Por lo tanto, la tensión de compresión aplicada en la dirección perpendicular al plano del medio átomo promoverá la aparición de un ascenso positivo y, a la inversa, la tensión de tracción promoverá la aparición de un ascenso negativo. Ésta es la principal diferencia en los efectos mecánicos del ascenso y el deslizamiento, ya que el deslizamiento es impulsado por un esfuerzo cortante en lugar de un esfuerzo normal.

Otra diferencia entre dislocación, deslizamiento y ascenso es la dependencia de la temperatura. Un aumento de la temperatura puede aumentar en gran medida la probabilidad de que la dislocación suba. En comparación, el efecto de la temperatura sobre el deslizamiento es mucho menor.