Дислокационные лавины: как микроскопические дефекты меняют механические свойства материалов
Лавины дислокаций — это удивительное явление, которое происходит внутри материалов при их деформации. Это быстрые и дискретные события, при которых дефекты в кристаллической структуре — так называемые дислокации — начинают двигаться коллективно. В макроскопическом масштабе пластическая деформация выглядит как плавный процесс, но на микроуровне она происходит рывками, словно лавины. Такое прерывистое поведение наблюдается в микрокристаллах, и оно может иметь огромное значение для понимания механических свойств материалов.
Что такое дислокационные лавины?
Дислокации — это дефекты в кристаллической решетке материала. Когда материал подвергается нагрузке, дислокации начинают двигаться, что приводит к пластической деформации. В макроскопическом масштабе этот процесс кажется плавным, но на микроуровне он часто происходит скачками. Эти скачки и называются дислокационными лавинами.
Например, в сплавах алюминия и магния (AlMg) взаимодействие между атомами растворенного вещества и дислокациями может вызывать внезапные скачки деформации. В металлических стеклах это явление проявляется через сдвиговые полосы, где напряжение локализуется. В монокристаллах это выглядит как «взрыв» дислокаций. Несмотря на то, что эти события происходят в материалах с разной структурой, их объединяет одно: они подчиняются степенному закону, что означает, что между числом событий и их интенсивностью существует определенная зависимость.
Почему это важно?
Микроскопическая нестабильность пластичности может серьезно повлиять на механическое поведение материалов. Например, в микрокристаллах флуктуации деформации становятся более заметными, что затрудняет контроль над процессом пластического формования. Более того, в малых образцах предел текучести — напряжение, при котором материал начинает деформироваться пластически — уже не может быть определен стандартным критерием 0,2%. Вместо этого он варьируется от образца к образцу, что делает прогнозирование механических свойств более сложным.
Исторический контекст
Макроскопическая пластичность долгое время описывалась континуальными моделями, которые предполагают, что движение дислокаций происходит с постоянной средней скоростью. Это описывается уравнением Орована, которое связывает напряжение с плотностью дислокаций и их средней скоростью. Однако такие модели не учитывают прерывистый характер деформации, который наблюдается в реальных материалах.
Еще в 1920-х годах были описаны явления, такие как полосы Людерса — области локализованной деформации, и эффект Портевена–Ле Шателье — колебания в кривых напряжение-деформация. Эти явления указывают на то, что пластическая деформация далеко не всегда происходит плавно.
Экспериментальные методы изучения
Хотя прерывистое поведение деформации известно давно, только в последние два десятилетия ученые смогли его количественно изучить благодаря новым экспериментальным методам.
Акустическая эмиссия
Один из таких методов — акустическая эмиссия (АЭ). Когда материал деформируется, он издает характерные звуки, похожие на потрескивание. Эти зв
