Dislocación

En ciencia de materiales, una dislocación o dislocación de Taylor es un defecto o irregularidad cristalográfica lineal dentro de una estructura cristalina que contiene un cambio abrupto en la disposición de átomos. El movimiento de las dislocaciones permite que los átomos se deslicen unos sobre otros con bajos niveles de tensión y se conoce como deslizamiento o deslizamiento. El orden cristalino se restablece a ambos lados de una dislocación por deslizamiento pero los átomos de un lado se han movido una posición. El orden cristalino no se restablece completamente en una dislocación parcial. Una dislocación define el límite entre las regiones de material deslizadas y no deslizadas y, como resultado, debe formar un bucle completo, intersectar otras dislocaciones o defectos, o extenderse hasta los bordes de el cristal. Una dislocación se puede caracterizar por la distancia y dirección del movimiento que causa a los átomos, que está definida por el vector de Burgers. La deformación plástica de un material ocurre por la creación y movimiento de muchas dislocaciones. El número y la disposición de las dislocaciones influyen en muchas de las propiedades de los materiales.

Los dos tipos principales de dislocaciones son sesile dislocaciones inmóviles y glissile dislocaciones que son móviles. Ejemplos de dislocaciones de sesiles son los Stair-rod dislocación y la unión Lomer-Cottrell. Los dos tipos principales de dislocaciones móviles son borde y tornillo dislocaciones.

Las dislocaciones de bordes se pueden visualizar como causadas por la terminación de un plano de átomos en el medio de un cristal. En tal caso, los planos circundantes no son rectos, sino que se curvan alrededor del borde del plano terminal, de modo que la estructura cristalina está perfectamente ordenada en ambos lados. Este fenómeno es análogo a la mitad de una hoja de papel insertada en una pila de papel, donde el defecto en la pila sólo se nota en el borde de la media hoja.

La teoría que describe los campos elásticos de los defectos fue desarrollada originalmente por Vito Volterra en 1907. En 1934, Egon Orowan, Michael Polanyi y G. I. Taylor, propusieron que las bajas tensiones observadas producían deformación plástica en comparación con las predicciones teóricas de la época. podría explicarse en términos de la teoría de las dislocaciones.

Historia

La teoría que describe los campos elásticos de los defectos fue desarrollada originalmente por Vito Volterra en 1907. El término 'dislocación' Refiriéndose a un defecto a escala atómica fue acuñado por G. I. Taylor en 1934.

Antes de la década de 1930, uno de los desafíos duraderos de la ciencia de materiales era explicar la plasticidad en términos microscópicos. Un intento simplista de calcular el estrés en el que los aviones atómicos vecinos deslizamiento uno sobre el otro en un cristal perfecto sugiere que, para un material con módulo de arrastre G{displaystyle G., fuerza de derrame τ τ m{displaystyle tau _{m} se da aproximadamente por:

τ τ m=G2π π .{displaystyle tau ¿Qué? {G}{2pi}}}

El módulo de corte en los metales suele estar dentro del rango de 20 000 a 150 000 MPa, lo que indica una tensión de corte prevista de 3 000 a 24 000 MPa. Esto fue difícil de conciliar con tensiones de corte medidas en el rango de 0,5 a 10 MPa.

En 1934, Egon Orowan, Michael Polanyi y G. I. Taylor propusieron de forma independiente que la deformación plástica podría explicarse en términos de la teoría de las dislocaciones. Las dislocaciones pueden moverse si los átomos de uno de los planos circundantes rompen sus enlaces y se vuelven a unir con los átomos en el borde terminal. En efecto, un semiplano de átomos se mueve en respuesta a un esfuerzo cortante rompiendo y reformando una línea de enlaces, uno (o varios) a la vez. La energía necesaria para romper una fila de enlaces es mucho menor que la necesaria para romper todos los enlaces en un plano completo de átomos a la vez. Incluso este modelo simple de la fuerza requerida para mover una dislocación muestra que la plasticidad es posible con tensiones mucho más bajas que en un cristal perfecto. En muchos materiales, particularmente materiales dúctiles, las dislocaciones son el "portador" de deformación plástica, y la energía necesaria para moverlos es menor que la energía necesaria para fracturar el material.

Mecanismos

Una dislocación es un defecto cristalográfico lineal o una irregularidad dentro de una estructura cristalina que contiene un cambio abrupto en la disposición de los átomos. El orden cristalino se restablece a ambos lados de una dislocación, pero los átomos de un lado se han movido o deslizado. Las dislocaciones definen el límite entre las regiones de material deslizadas y no deslizadas y no pueden terminar dentro de una red y deben extenderse hasta un borde libre o formar un bucle dentro del cristal. Una dislocación se puede caracterizar por la distancia y dirección del movimiento que causa a los átomos en la red, lo que se denomina vector de Burgers. El vector de Burgers de una dislocación permanece constante aunque la forma de la dislocación pueda cambiar.

Existe una variedad de tipos de dislocaciones, con dislocaciones móviles conocidas como glissile y dislocaciones inmóviles llamadas sésiles. El movimiento de las dislocaciones móviles permite que los átomos se deslicen unos sobre otros con bajos niveles de tensión y se conoce como deslizamiento o deslizamiento. El movimiento de las dislocaciones puede verse potenciado o dificultado por la presencia de otros elementos dentro del cristal y, con el tiempo, estos elementos pueden difundirse hacia la dislocación formando una atmósfera de Cottrell. La fijación y el desprendimiento de estos elementos explican parte del comportamiento inusual de fluencia observado en los aceros. La interacción del hidrógeno con las dislocaciones es uno de los mecanismos propuestos para explicar la fragilización del hidrógeno.

Las dislocaciones se comportan como si fueran una entidad distinta dentro de un material cristalino donde algunos tipos de dislocaciones pueden moverse a través del material doblándose, flexionándose y cambiando de forma e interactuando con otras dislocaciones y características dentro del cristal. Las dislocaciones se generan al deformar un material cristalino como los metales, lo que puede hacer que se inicien desde las superficies, particularmente en concentraciones de tensión o dentro del material en defectos y límites de grano. El número y la disposición de las dislocaciones dan lugar a muchas de las propiedades de los metales, como la ductilidad, la dureza y el límite elástico. El tratamiento térmico, el contenido de aleaciones y el trabajo en frío pueden cambiar el número y la disposición de la población de dislocaciones y cómo se mueven e interactúan para crear propiedades útiles.

Generando dislocaciones

Cuando los metales son sometidos al trabajo frío (deformación a temperaturas relativamente bajas en comparación con la temperatura de fusión absoluta del material, Tm{displaystyle T_{m} i.e., típicamente menos que 0,4Tm{displaystyle 0.4T_{m}) la densidad de dislocación aumenta debido a la formación de nuevas dislocaciones. La consiguiente superposición creciente entre los campos de tensión de las dislocaciones adyacentes aumenta gradualmente la resistencia a un nuevo movimiento de dislocación. Esto causa un endurecimiento del metal a medida que avanza la deformación. Este efecto se conoce como endurecimiento de la tensión o endurecimiento del trabajo.

Densidad de desplazamiento *** *** {displaystyle rho } en un material se puede aumentar por deformación plástica por la siguiente relación:

τ τ ∝ ∝ *** *** {displaystyle tau propto {sqrt {rho }}.

Dado que la densidad de dislocaciones aumenta con la deformación plástica, se debe activar en el material un mecanismo para la creación de dislocaciones. Tres mecanismos para la formación de dislocaciones son la nucleación homogénea, la iniciación de los límites de grano y las interfaces entre la red y la superficie, precipitados, fases dispersas o fibras de refuerzo.

Nucleación homogénea

Creación de una dislocación por núcleo homogéneo es el resultado de la ruptura de los lazos atómicos a lo largo de una línea en la celosía. Un avión en la celosía es desprendido, resultando en 2 aviones o dislocaciones opuestos. Estas dislocaciones se alejan entre sí a través de la celosía. Puesto que la nucleación homogénea forma dislocaciones de cristales perfectos y requiere la ruptura simultánea de muchos lazos, la energía necesaria para la nucleación homogénea es alta. Por ejemplo, se ha demostrado que el estrés requerido para la nucleación homogénea en el cobre es τ τ homG=7.4× × 10− − 2{displaystyle {fnMicroc {fnMicroc}tau {fnMicrosoft Sans Serif}}=7.4times 10^{-2}, donde G{displaystyle G. es el módulo de cobertizo de cobre (46 GPa). Solving for τ τ hom{displaystyle tau _{text{hom},!, vemos que el estrés requerido es 3.4 GPa, que está muy cerca de la fuerza teórica del cristal. Por lo tanto, en la deformación convencional la nucleación homogénea requiere un estrés concentrado, y es muy poco probable. La iniciación y la interacción de los límites de grado son fuentes más comunes de dislocaciones.

Las irregularidades en los límites de los granos en los materiales pueden producir dislocaciones que se propagan dentro del grano. Los escalones y repisas en el límite de grano son una fuente importante de dislocaciones en las primeras etapas de la deformación plástica.

Frank–Leer fuente

La fuente Frank-Read es un mecanismo que es capaz de producir una corriente de dislocaciones a partir de un segmento fijado de una dislocación. La tensión curva el segmento de dislocación, expandiéndose hasta crear un bucle de dislocación que se libera de la fuente.

Superficies

La superficie de un cristal puede producir dislocaciones en el cristal. Debido a los pequeños escalones en la superficie de la mayoría de los cristales, la tensión en algunas regiones de la superficie es mucho mayor que la tensión promedio en la red. Este estrés conduce a dislocaciones. Luego, las dislocaciones se propagan dentro de la red de la misma manera que en la iniciación del límite de grano. En los monocristales, la mayoría de las dislocaciones se forman en la superficie. Se ha demostrado que la densidad de dislocación a 200 micrómetros en la superficie de un material es seis veces mayor que la densidad en masa. Sin embargo, en materiales policristalinos las fuentes superficiales no tienen un efecto importante porque la mayoría de los granos no están en contacto con la superficie.

Interfaces

La interfaz entre un metal y un óxido puede aumentar considerablemente el número de dislocaciones creadas. La capa de óxido pone la superficie del metal en tensión porque los átomos de oxígeno se comprimen en la red y los átomos de oxígeno están bajo compresión. Esto aumenta en gran medida la tensión sobre la superficie del metal y, en consecuencia, la cantidad de dislocaciones formadas en la superficie. La mayor cantidad de tensión en los escalones de la superficie da como resultado un aumento en las dislocaciones formadas y emitidas desde la interfaz.

Las dislocaciones también pueden formar y permanecer en el plano de interfaz entre dos cristales. Esto ocurre cuando el espaciamiento de la celosía de los dos cristales no coinciden, resultando en un mal ajuste de las celosías en la interfaz. El estrés causado por la inadaptación se libera mediante la formación de dislocaciones de inadaptados con regularidad. Las dislocaciones de malla son dislocaciones de bordes con la línea de dislocación en el plano de interfaz y el vector Burgers en la dirección de la interfaz normal. Las interfaces con dislocaciones inadecuadas pueden formar, por ejemplo, como resultado del crecimiento epitaxial del cristal en un sustrato.

Irradiación

Se pueden formar bucles de dislocación en el daño creado por la irradiación energética. Un bucle de dislocación prismática puede entenderse como un disco de átomos colapsado adicional (o faltante), y puede formarse cuando átomos intersticiales o vacantes se agrupan. Esto puede ocurrir directamente como resultado de cascadas de colisiones únicas o múltiples, lo que resulta en densidades localmente altas de átomos intersticiales y vacantes. En la mayoría de los metales, los bucles de dislocación prismática son los grupos de átomos autointersticiales energéticamente más preferidos.

Interacción y disposición

Dislocaciones geométricamente necesarias

Las dislocaciones geométricamente necesarias son disposiciones de dislocaciones que pueden acomodar un grado limitado de flexión plástica en un material cristalino. Los enredos de dislocaciones se encuentran en la etapa inicial de deformación y aparecen como límites no bien definidos; El proceso de recuperación dinámica conduce eventualmente a la formación de una estructura celular que contiene límites con una desorientación inferior a 15° (límites de grano de ángulo bajo).

Fijar

Añadiendo puntos de pinación que inhiben el movimiento de dislocaciones, como elementos de aleación, pueden introducir campos de estrés que en última instancia fortalecen el material requiriendo un estrés aplicado más alto para superar el estrés y continuar el movimiento de dislocación.

Los efectos del endurecimiento por deformación por acumulación de dislocaciones y la estructura de grano formada a alta deformación pueden eliminarse mediante un tratamiento térmico adecuado (recocido) que promueve la recuperación y posterior recristalización del material.

Las técnicas de procesamiento combinadas de endurecimiento por trabajo y recocido permiten controlar la densidad de dislocaciones, el grado de enredo de las dislocaciones y, en última instancia, el límite elástico del material.

Bandas de deslizamiento persistentes

El ciclo repetido de un material puede provocar la generación y acumulación de dislocaciones rodeadas de regiones que están relativamente libres de dislocaciones. Este patrón forma una estructura similar a una escalera conocida como bandas deslizantes persistentes (PSB). Los PSB se llaman así porque dejan marcas en la superficie de los metales que, incluso cuando se eliminan mediante pulido, regresan al mismo lugar con el ciclo continuo.

Las paredes de PSB están formadas predominantemente por dislocaciones de bordes. Entre las paredes, la plasticidad se transmite mediante dislocaciones de tornillos.

Donde los PSB se encuentran con la superficie, se forman extrusiones e intrusiones que, bajo cargas cíclicas repetidas, pueden provocar el inicio de una grieta por fatiga.

Movimiento

Deslizamiento

Las dislocaciones pueden deslizarse en planos que contienen tanto la línea de dislocación como el vector de Burgers, el llamado plano de deslizamiento. Para una dislocación de tornillo, la línea de dislocación y el vector de Burgers son paralelos, por lo que la dislocación puede deslizarse en cualquier plano que la contenga. Para una dislocación de borde, la dislocación y el vector de Burgers son perpendiculares, por lo que hay un plano en el que la dislocación puede deslizarse.

Subir

El ascenso de dislocación es un mecanismo alternativo de movimiento de dislocación que permite que una dislocación de borde se mueva fuera de su plano de deslizamiento. La fuerza impulsora del ascenso de las dislocaciones es el movimiento de las vacantes a través de una red cristalina. Si una vacante se mueve junto al límite del semiplano adicional de átomos que forma una dislocación de borde, el átomo en el semiplano más cercano a la vacante puede saltar y llenar la vacante. Este desplazamiento atómico mueve la vacante en línea con el semiplano de los átomos, provocando un desplazamiento o ascenso positivo de la dislocación. El proceso de absorción de una vacante en el límite de un semiplano de átomos, en lugar de creación, se conoce como ascenso negativo. Dado que el ascenso de las dislocaciones resulta del salto de átomos individuales a espacios vacíos, el ascenso se produce en incrementos del diámetro de un solo átomo.

Durante el ascenso positivo, el cristal se contrae en la dirección perpendicular al semiplano adicional de los átomos porque los átomos se eliminan del semiplano. Dado que el ascenso negativo implica una adición de átomos al semiplano, el cristal crece en la dirección perpendicular al semiplano. Por lo tanto, la tensión de compresión en la dirección perpendicular al semiplano promueve un ascenso positivo, mientras que la tensión de tracción promueve un ascenso negativo. Ésta es una diferencia principal entre deslizamiento y ascenso, ya que el deslizamiento es causado únicamente por el esfuerzo cortante.

Una diferencia adicional entre el deslizamiento y el ascenso por dislocación es la dependencia de la temperatura. El ascenso ocurre mucho más rápidamente a altas temperaturas que a bajas temperaturas debido a un aumento en el movimiento de vacancia. El deslizamiento, por el contrario, sólo tiene una pequeña dependencia de la temperatura.

Avalanchas de desplazamiento

Los avalanchas de dislocación ocurren cuando se producen múltiples movimientos simultáneos de dislocaciones.

Velocidad de dislocación

La velocidad de dislocación depende en gran medida del esfuerzo cortante y la temperatura y, a menudo, se puede ajustar mediante una función de ley potencial:

v=Aτ τ m{displaystyle v=Atau }

Donde A{displaystyle A} es una constante material, τ τ {displaystyle tau } es el estrés aplicado del tinte, m{displaystyle m} es una constante que disminuye con la temperatura creciente. El aumento del estrés del tirón aumentará la velocidad de dislocación, mientras que la temperatura aumentada normalmente disminuirá la velocidad de dislocación. El mayor fono esparcir a temperaturas más altas es hipotetizado para ser responsable del aumento de las fuerzas de amortiguación que frenan el movimiento de dislocación.

Geometría

Existen dos tipos principales de luxaciones móviles: de borde y de tornillo. Las dislocaciones que se encuentran en materiales reales suelen ser mixtas, lo que significa que tienen características de ambas.

Borde

Un material cristalino consiste en una serie regular de átomos, dispuestos en planos de celo. Una dislocación de bordes es un defecto donde se introduce un medio plano extra de átomos a mitad de camino a través del cristal, distorsionando planos cercanos de átomos. Cuando se aplica suficiente fuerza desde un lado de la estructura de cristal, este plano extra pasa a través de planos de átomos que rompen y unen los lazos con ellos hasta que alcanza el límite de grano. La dislocación tiene dos propiedades, una dirección de línea, que es la dirección que corre por el fondo del medio plano extra, y el vector Burgers que describe la magnitud y la dirección de la distorsión a la celosía. En una dislocación de bordes, el vector Burgers es perpendicular a la dirección de línea.

Las tensiones causadas por una dislocación de borde son complejas debido a su asimetría inherente. Estas tensiones se describen mediante tres ecuaciones:

σ σ xx=− − μ μ b2π π ()1− − . . )Sí.()3x2+Sí.2)()x2+Sí.2)2{displaystyle sigma _{xx}={frac {-mumathbf {b}{2pi (1-nu)}}{frac {y(3x^{2}+y^{2}}{(x^{2}+y^{2}}}}{2}}}}}}}} {}}}}} {

σ σ Sí.Sí.=μ μ b2π π ()1− − . . )Sí.()x2− − Sí.2)()x2+Sí.2)2{displaystyle sigma _{yy}={frac {mumathbf {b}{2pi (1-nu)}}{frac {y(x^{2}-y^{2}}{2}}{2}+y^{2}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}} {

τ τ xSí.=μ μ b2π π ()1− − . . )x()x2− − Sí.2)()x2+Sí.2)2{displaystyle tau _{xy}={frac {mumathbf {b}{2pi (1-nu)}}{frac {x(x^{2}-y^{2}}{2}+y^{2}}}}{2}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {

Donde μ μ {displaystyle mu } es el módulo de corte del material, b{displaystyle mathbf} es el vector Burgers, . . {displaystyle nu } es la relación de Poisson y x{displaystyle x} y Sí.{displaystyle y} son coordenadas.

Estas ecuaciones sugieren una pesa de tensiones orientada verticalmente que rodea la dislocación, con compresión experimentada por los átomos cerca de la zona "extra" plano, y la tensión experimentada por los átomos cerca del plano "faltante" avión.

Tornillo

Se puede visualizar una dislocación de tornillo cortando un cristal a lo largo de un plano y deslizando una mitad sobre la otra mediante un vector reticular, las mitades vuelven a encajar sin dejar ningún defecto. Si el corte solo atraviesa parcialmente el cristal y luego se desliza, el límite del corte es una dislocación del tornillo. Consta de una estructura en la que los planos atómicos de la red cristalina trazan una trayectoria helicoidal alrededor del defecto lineal (línea de dislocación). En las dislocaciones de tornillo puras, el vector de Burgers es paralelo a la dirección de la línea. Una serie de dislocaciones de tornillos pueden provocar lo que se conoce como límite de torsión. En un límite de torsión, la desalineación entre los granos de cristal adyacentes se produce debido al efecto acumulativo de las dislocaciones de los tornillos dentro del material. Estas dislocaciones provocan una desorientación rotacional entre los granos adyacentes, lo que lleva a una deformación similar a una torsión a lo largo del límite. Los límites de torsión pueden influir significativamente en las propiedades mecánicas y eléctricas de los materiales, afectando fenómenos como el deslizamiento de los límites de grano, la fluencia y el comportamiento de fractura. Las tensiones causadas por una dislocación de tornillo son menos complejas que las de una dislocación de borde y solo necesitan una ecuación, ya que la simetría permite utilizar una coordenada radial:

τ τ r=− − μ μ b2π π r{displaystyle tau _{frac {-mumathbf {b}{2pi r}}}

Donde μ μ {displaystyle mu } es el módulo de corte del material, b{displaystyle mathbf} es el vector Burgers, y r{displaystyle r} es una coordenadas radial. Esta ecuación sugiere un largo cilindro de estrés irradiando hacia fuera del cilindro y disminuyendo con la distancia. Este modelo simple resulta en un valor infinito para el núcleo de la dislocación en r=0{displaystyle r=0} y por lo tanto sólo es válido para tensiones fuera del núcleo de la dislocación. Si el vector Burgers es muy grande, el núcleo puede estar vacío resultando en un micropipe, como se observa comúnmente en carburo de silicio.

Mixto

En muchos materiales se encuentran dislocaciones donde la dirección de línea y el vector Burgers no son perpendiculares ni paralelos y estas dislocaciones se llaman dislocaciones mixtas, que consta de carácter de tornillo y de borde. Se caracterizan por φ φ {displaystyle varphi }, el ángulo entre la dirección de línea y el vector Burgers, donde φ φ =π π /2{displaystyle varphi =pi /2} para dislocaciones de borde puro y φ φ =0{displaystyle varphi =0} para dislocaciones de tornillos.

Parcial

Las dislocaciones parciales dejan atrás una falla apiladora. Dos tipos de dislocación parcial son los Dislocación parcial de Frank que es sesil y el Dislocación parcial de Shockley que es glissile.

Una dislocación parcial de Frank se forma insertando o eliminando una capa de átomos en el plano {111} que luego está ligada por el parcial de Frank. La eliminación de una capa estrecha se conoce como una intrínseco apilar falla e insertar una capa es conocida como extrínseco Fallo apilante. El vector Burgers es normal en el plano de deslizamiento {111} para que la dislocación no pueda deslizarse y sólo puede pasar por subida.

Para reducir la energía general de la red, las dislocaciones de borde y tornillo generalmente se disocian en una falla de apilamiento limitada por dos dislocaciones parciales de Shockley. El ancho de esta región de falla de apilamiento es proporcional a la energía de falla de apilamiento del material. El efecto combinado se conoce como dislocación extendida y es capaz de deslizarse como una unidad. Sin embargo, las dislocaciones de tornillos disociadas deben recombinarse antes de que puedan cruzar el deslizamiento, lo que dificulta que estas dislocaciones se muevan alrededor de las barreras. Los materiales con bajas energías de falla de apilamiento tienen la mayor disociación de dislocación y, por lo tanto, se trabajan en frío más fácilmente.

Escalera y cruce Lomer-Cottrell

Si dos dislocaciones de deslizamiento que se encuentran en diferentes planos {111} se dividen en parciales de Shockley y se cruzan, producirán una dislocación de barra de escalera con una dislocación de Lomer-Cottrell en su vértice. Se llama barra de escalera porque es análoga a la varilla que mantiene la alfombra en su lugar en una escalera.

Jogging

Un Jog describe los pasos de una línea de dislocación que no están en el plano de deslizamiento de una estructura cristalina. Una línea de dislocación rara vez es uniformemente recta y a menudo contiene muchas curvas y escalones que pueden impedir o facilitar el movimiento de la dislocación al actuar como puntos de alfiler o puntos de nucleación, respectivamente. Debido a que los joggings están fuera del plano de planeo, bajo cizalla no pueden moverse por deslizamiento (movimiento a lo largo del plano de planeo). En cambio, deben confiar en el ascenso facilitado por la difusión de vacantes para moverse a través de la red. Lejos del punto de fusión de un material, la difusión de vacantes es un proceso lento, por lo que las sacudidas actúan como barreras inmóviles a temperatura ambiente para la mayoría de los metales.

Los jogs normalmente se forman cuando dos dislocaciones no paralelas se cruzan durante el deslizamiento. La presencia de joggings en un material aumenta su límite elástico al impedir el fácil deslizamiento de las dislocaciones. Un par de movimientos inmóviles en una dislocación actuarán como una fuente Frank-Read bajo corte, aumentando la densidad general de dislocación de un material. Cuando el límite elástico de un material aumenta mediante el aumento de la densidad de dislocación, particularmente cuando se realiza mediante trabajo mecánico, se denomina endurecimiento por trabajo. A altas temperaturas, el movimiento de los joggings facilitado por la vacancia se convierte en un proceso mucho más rápido, lo que disminuye su eficacia general para impedir el movimiento de las dislocaciones.

Perversión

Las torceduras son pasos en una línea de dislocación paralela a los planos de planeo. A diferencia de los trotes, facilitan el deslizamiento actuando como punto de nucleación para el movimiento de dislocación. La propagación lateral de una torcedura desde el punto de nucleación permite la propagación hacia adelante de la dislocación mientras solo se mueven unos pocos átomos a la vez, lo que reduce la barrera energética general para deslizarse.

Ejemplo en dos dimensiones (2D)

En dos dimensiones (2D) solo existen las dislocaciones de borde, que juegan un papel central en la fusión de los cristales 2D, pero no la dislocación del tornillo. Esas dislocaciones son defectos puntuales topológicos, lo que implica que no pueden crearse aisladas mediante una transformación afín sin cortar el cristal hexagonal hasta el infinito (o al menos hasta su borde). Sólo se pueden crear en pares con el vector Burgers antiparalelo. Si hay muchas dislocaciones e. gramo. excitado térmicamente, se destruye el orden de traslación discreto del cristal. Simultáneamente, el módulo de corte y el módulo de Young desaparecen, lo que implica que el cristal se funde a una fase fluida. El orden de orientación aún no se ha destruido (como lo indican las líneas reticulares en una dirección) y se encuentra, muy similar a los cristales líquidos, una fase fluida con un campo director típicamente séxtuple. Esta denominada fase hexática todavía tiene una rigidez de orientación. La fase fluida isotrópica aparece cuando las dislocaciones se disocian en disclinaciones aisladas de cinco y siete pliegues. Esta fusión en dos pasos se describe dentro de la llamada teoría Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (teoría KTHNY), basada en dos transiciones del tipo Kosterlitz-Thouless.

Observación

Microscopía electrónica de transmisión (TEM)

La microscopía electrónica de transmisión se puede utilizar para observar dislocaciones dentro de la microestructura del material. Se preparan finas láminas de material para hacerlas transparentes al haz de electrones del microscopio. El haz de electrones sufre difracción por los planos regulares de la red cristalina en un patrón de difracción y esta difracción genera contraste en la imagen (así como por variaciones de espesor, tensión variable y otros mecanismos). Las dislocaciones tienen diferentes estructuras atómicas locales y producen un campo de deformación y, por lo tanto, harán que los electrones en el microscopio se dispersen de diferentes maneras. Tenga en cuenta la característica 'movimiento' contraste de las líneas de dislocación a medida que pasan a través del espesor del material en la figura (las dislocaciones no pueden terminar en un cristal y estas dislocaciones terminan en las superficies ya que la imagen es una proyección 2D).

Las dislocaciones no tienen estructuras aleatorias, la estructura atómica local de una dislocación es determinada por el vector Burgers. Una aplicación muy útil del TEM en la imagen de dislocación es la capacidad de determinar experimentalmente el vector Burgers. Determinación del vector Burgers se logra por lo que se conoce como g→ → ⋅ ⋅ b→ → {displaystyle {vec}cdot {vec}} Análisis ("g dot b"). Al realizar la microscopía de campo oscuro con el TEM, se selecciona un punto difractado para formar la imagen (como se mencionó antes, los planos de encaje difunden el haz en los puntos), y la imagen se forma utilizando sólo electrones que fueron difusores por el plano responsable de ese punto de difracción. El vector en el patrón de difracción desde el punto de transmisión hasta el punto difractado es el g→ → {displaystyle {vec}} vector. El contraste de una dislocación es escalado por un factor del producto de puntos de este vector y el vector Burgers (g→ → ⋅ ⋅ b→ → {displaystyle {vec}cdot {vec}}). Como resultado, si el vector Burgers y g→ → {displaystyle {vec}} Los vectores son perpendiculares, no habrá señal de la dislocación y la dislocación no aparecerá en absoluto en la imagen. Por lo tanto, al examinar diferentes imágenes de campo oscuro formadas a partir de puntos con diferentes g vectores, el vector Burgers puede ser determinado.

Otros métodos

La microscopía de iones de campo y las técnicas de sonda de átomos ofrecen métodos para producir aumentos mucho más altos (normalmente 3 millones de veces y más) y permiten la observación de dislocaciones a nivel atómico. Cuando el alivio de la superficie se puede resolver al nivel de un paso atómico, las dislocaciones de tornillo aparecen como características espirales distintivas – revelando así un importante mecanismo de crecimiento de cristal: donde hay un paso de superficie, los átomos pueden añadirse más fácilmente al cristal, y el paso de la superficie asociado con una dislocación de tornillo nunca se destruye sin importar cuántos átomos se añadan a él.

Grabado químico

Cuando una línea de dislocación intersecta la superficie de un material metálico, el campo de deformación asociado aumenta localmente la susceptibilidad relativa del material al grabado ácido y se produce una fosa de grabado de formato geométrico regular. De este modo, por ejemplo, se pueden observar dislocaciones en el silicio indirectamente mediante un microscopio de interferencia. La orientación del cristal puede determinarse por la forma de los hoyos de grabado asociados con las dislocaciones.

Si el material se deforma y se vuelve a grabar repetidamente, se pueden producir una serie de hoyos de grabado que rastrean efectivamente el movimiento de la dislocación en cuestión.

Fuerzas de dislocación

Fuerzas sobre dislocaciones

El movimiento de dislocación como resultado del estrés externo sobre una celosía puede describirse utilizando fuerzas internas virtuales que actúan perpendicularmente a la línea de dislocación. La ecuación Peach-Koehler se puede utilizar para calcular la longitud de la fuerza por unidad en una dislocación como una función del vector Burgers, b{displaystyle mathbf}, estrés, σ σ {displaystyle sigma }, y el vector de sentido, s{displaystyle mathbf {s}.

f=()b⋅ ⋅ σ σ )× × s{displaystyle mathbf {f} =(mathbf {b} cdot sigma)times mathbf {s}

La fuerza por unidad longitud de dislocación es una función del estado general de estrés, F{displaystyle mathbf {F}, y el vector de sentido, s{displaystyle mathbf {s}.

f=F× × s=Silencioı ı ^ ^ ȷ ȷ ^ ^ k^ ^ FxFSí.FzsxsSí.szSilencio{displaystyle mathbf {f} =mathbf {F} times mathbf {s} ={begin{vmatrix}{hat {imath }} {hat {jmath }}} {hat {hat}}}} {hat}}} {mathbf} {k}\\f} {f} {f}}}\\s_s_{x} {c}} {c}}}}}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

Los componentes del campo de estrés se pueden obtener del vector Burgers, tensiones normales, σ σ {displaystyle sigma }, y desgarrar tensiones, τ τ {displaystyle tau }.

Fx=bxσ σ xx+bSí.τ τ xSí.+bzτ τ xzFSí.=bxτ τ Sí.x+bSí.σ σ Sí.Sí.+bzτ τ Sí.zFz=bxτ τ zx+bSí.τ τ zSí.+bzσ σ zz{displaystyle {begin{aligned}F_{x} ## {xx}+b_{y}tau # {xy}+b_{z}tau ################################################################################################################################################################################################################################################################ ¿Qué? ## {yyy}+b_{z}tau ################################################################################################################################################################################################################################################################ ¿Qué? ¿Por qué?

Fuerzas entre dislocaciones

La fuerza entre las dislocaciones puede derivarse de la energía de las interacciones de las dislocaciones, Uint{displaystyle U_{rm {}}. El trabajo realizado al desplazar caras cortadas paralelas a un eje elegido que crea una dislocación en el campo de estrés de otro desplazamiento. Para el x{displaystyle x} y Sí.{displaystyle y} direcciones:

Uint=∫ ∫ xJUEGO JUEGO ()bxτ τ xSí.+bSí.σ σ Sí.Sí.+bzσ σ zSí.)dxUint=∫ ∫ Sí.JUEGO JUEGO ()bxσ σ xx+bSí.τ τ Sí.x+bzσ σ zx)dSí.{displaystyle {begin{aligned}U_{rm {int}=int _{x}^{infty }(b_{x}tau ¿Por qué? ¿Por qué? ¿Por qué? ## {xx}+b_{y}tau ¿Por qué?

Las fuerzas se encuentran luego tomando las derivadas.

Fx=− − ∂ ∂ Uint∂ ∂ xFSí.=− − ∂ ∂ Uint∂ ∂ Sí.{displaystyle {begin{aligned}F_{x} {fnMicrosoft Sans Serif} {} {fnK} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}} {fnMicrosoft}}}} {fnMicrosoft}}}} {fnMicrosoft}}}}} {fnMicrosoft}}}}}}} {f}}}}}}}}}} { ################################################################################################################################################################################################################################################################ - ¿Qué?

Fuerzas de superficie libres

Las dislocaciones también tienden a moverse hacia superficies libres debido a la menor energía de la tensión. Esta fuerza ficticia se puede expresar por una dislocación de tornillos con la Sí.{displaystyle y} componente igual a cero como:

Fx=bτ τ zSí.=− − Gb24π π d{displaystyle F_{x}=btau ¿Qué? {Gb^{2}{4pid}}}

Donde d{displaystyle d} es la distancia de la superficie libre en x{displaystyle x} dirección. La fuerza para una dislocación de bordes Sí.=0{displaystyle y=0} puede expresarse como:

Fx=bτ τ xSí.=− − Gb24π π ()1− − . . )d{displaystyle F_{x}=btau {fnK} {fnMicroc {fnK}} {4pi}}}}