§ 3. Дислокации

 В летнее время, под тенью акации,
 Приятно мечтать о дислокации.

К. Прутков

Сатирики, писавшие под этим псевдонимом, высказали такой афоризм от имени вымышленного сына Козьмы Пруткова, Фаддея Козьмича, которому принадлежит немало подобных "глубокомысленных перлов" на военную тему. Термин "дислокация" здесь использован, конечно, в военном аспекте и означает размещение войск. Вообще же слово "дислокация" происходит от латинского dislocatio - "смещение" и в качестве научного

термина использовалось раньше лишь в геологии для обозначения смещений в исходном расположении горных пород под влиянием, например, вулканической деятельности.

Что же такое дислокации в кристаллах, как они позволяют постепенно преодолевать сопротивление решетки сдвиговой деформации? Один из двух основных типов этих дефектов кристаллической решетки - краевые дислокации (рис. 41). Краевая дислокация представляет собой линию ограничивающую лишнюю атомную полуплоскость, которая как бы вставлена в кристалл, например, сверху и не имеет продолжения в нижней части кристалла^*).

^*

Видно, что вблизи края лишней полуплоскости решетка искажена: межатомные расстояния отличаются от межатомных расстояний в совершенной решетке. Значит, вдоль дислокации тянется область кристалла с повышенной энергией (так называемое ядро дислокации) - чтобы вставить лишнюю полуплоскость в решетку, надо было затратить определенную работу. Чем длиннее дислокация, тем больше эта энергия, поэтому дислокация всегда стремится уменьшить свою длину и ведет себя в кристалле как "натянутая струна".

Рис. 41

Перемещение дислокационной линии, конечно, вместе со всей полуплоскостью и вызывает сдвиг одной части кристалла относительно другой (рис. 42) (на плоской картинке линия дислокации проектируется в точку). Если приложенное касательное напряжение стремится сдвинуть верхнюю часть кристалла вправо, то начальную стадию этого процесса можно представить так, как показано на позиции 1. На левой грани кристалла уже образовалась ступенька, но сдвиг еще не охватил всю площадь плоскости скольжения. Границей зоны сдвига и является наша краевая дислокация, которая пока находится вблизи левой грани. На рис. 42, позиция 2, хорошо видно, что перемещение дислокации на одно межатомное расстояние в решетке требует лишь небольшой перегруппировки атомов вблизи дислокационной линии. Здесь черными кружками показаны положения атомов, соответствующие позиции 1. В дальнейшем дислокация постепенно перемещается все дальше и дальше вправо и в конце концов выходит на правую грань кристалла, образуя на ней ступеньку.

Как видно, конечный результат получился таким же, как при одновременном сдвиге всей атомной плоскости. Но для получения этого результата требуются неизмеримо меньшие напряжения. Ведь в расчете Френкеля необходимо преодолеть силы межатомной связи сразу на всей плоскости скольжения (рис. 39), "вкатить" всю верхнюю плоскость на верхушки атомов нижней. Здесь же этот процесс происходит постепенно. При переходе от позиции 1 к позиции 2 нарушается только одна связь 2 - 3' и формируется новая полная атомная плоскость 2 - 2'. Полуплоскость 3' теперь становится лишней, и дислокация сдвигается вправо на одно межатомное расстояние b. Таким образом верхняя плоскость перекатывается по нижней не так, как в модели жесткого сдвига (рис. 39), а так, как это делала бы гусеница, преодолевая препятствие.

Рис. 42

В момент перехода дислокации из одного положения равновесия (когда она находится точно посередине между двумя соседними полными, правильными вертикальными плоскостями) в следующее такое же, лишь один атом перекатывается через горку. Все атомы, участвующие в движении дислокации, как видно, смещаются на расстояния, порядка межатомного. Конечно, такая же ситуация создается во всех атомных плоскостях, параллельных плоскости рисунка, поэтому, когда мы говорим "один атом", имеется в виду вся цепочка, перпендикулярная чертежу - край полуплоскости. Длина дислокации, т. е. ее размер в направлении, перпендикулярном чертежу, может быть равна или соизмерима с габаритом кристалла в этом направлении. В плоскости чертежа все возмущения - отклонения атомов от нормальных позиций, которые они занимали до прихода сюда дислокации, - практически полностью гасятся при удалении от оси дислокации на несколько межатомных расстояний. Поэтому дислокации являются линейными дефектами решетки: их размер в одном направлении велик, а в двух других - мал.

Если мы взглянем на кристалл, изображенный на рис. 41, сверху, то дислокация спроектируется в прямую линию которая будет стремиться занять симметричное положение между двумя соседними плоскостями (позиция 4 на рис. 42). Эта линия должна будет перейти в соседнюю аналогичную позицию, преодолев барьер, обозначенный пунктиром. Дислокация и здесь ищет обходные пути, возможность выполнить эту работу не сразу, а постепенно. Вначале в новое положение переходит лишь небольшая часть длины дислокации - позиция 5 - высаживается десант, а затем перетягивается остальная часть - позиция 6. Так сами дислокации, призванные обеспечить постепенность сдвига, в своем движении используют тот же принцип постепенности: в процессе перехода "на горке" находится не вся длина дислокации, а в каждый данный момент - лишь ее небольшая часть. Многократно повторяясь, такой процесс приведет к выходу дислокации на поверхность - позиция 3.