«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 научноготермина использовалось раньше лишь в геологии для гбозначения 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. Краевая дислокация представляет собой линию ограничивающую лишнюю атомную полу, плоскость, которая как бы вставлена в кристалл, например, сверху и не имеет продолжения в нижней части кристалла.
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».
Перемещение дислокационной линии, конечно, вместе со всей полуплоскостью и вызывает сдвиг одной части кристалла относительно другой (на плоской картинке линия дислокации проектируется в точку). 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. Перемещение дислокации на одно межатомное расстояние в решетке требует лишь небольшой перегруппировки атомов вблизи дислокационной линии. Здесь черными кружками показаны положения атомов, соответствующие позиции.
Для простоты мы рассматриваем здесь кубическую решетку, в которой атомы (ионы) расположены только в вершинах кубиков. В реальных металлах возникает несколько более сложная картина, так как они имеют плотноупакованные решетки.
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, «вкатить» всю верхнюю плоскость на верхушки атомов нижней. Здесь же этот процесс происходит постепенно. 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