Dislokaatio

Dislokaatiot ovat kiteisissä aineissa esiintyviä viivamaisia tai nauhamaisia kidevirheitä ja niitä syntyy mm. jähmettymisen yhteydessä, plastisessa deformaatiossa, tai säteilytettäessä metallia. Viivamaisuus tarkoittaa sitä, että dislokaation koko poikkeaa atomikokoluokasta vain yhdessä paikkaulottuvuudessa. Hirth, J. P., Lothe, J., Theory of Dislocations, 2nd edition, Krieger Publishing Company, Malabar, Florida, 1982 reprint 1992

Dislokaatioiden määrä metalleissa on huomattavan suuri. Jopa aineessa joka on valmistettu hitaasti jäähdyttämällä dislokaatioita esiintyy noin tuhat neliömillimetrillä. Suuren jännityksen vaikutuksesta dislokaatioiden tiheys voi olla jopa miljardi dislokaatiota neliömillimetrillä. Callister, W. D., Materials Science and Engineering, 4th edition, John Wiley & Sons. Inc, New York, 1996, s. 150

Kiteisissä aineissa dislokaatioiden liike on tärkein plastista deformaatiota aiheuttava tekijä. Esimerkiksi raudan ja kuparin helppo muokattavuus perustuu siihen, että dislokaatioiden liike näissä materiaaleissa on helppoa, kun taas teräksen lujuus johtuu siitä, että dislokaatioiden liike on rajoitettua.

Dislokaatioiden rakenne

Dislokaatio voidaan luokitella särmätyyppiseksi, ruuvityyppiseksi, tai näiden kahden välimuodoksi. Yleisesti dislokaatio on välimuototyyppinen, mutta särmätyyppisen ja ruuvityyppisen dislokaation rakenne voidaan helposti ymmärtää tarkastelemalla kidemäisen aineen atomien järjestäytymistä kidehilaan atomitasoiksi, kuten kuvassa 1 on esitetty. Käyttäen atomitasojen kuvauksena viivoja, täydellinen kidehila voidaan esittää näiden viivojen muodostamana ruudukkona kuten kuvassa 2 vasemmalla ylhäällä ja vasemmalla alhaalla on esitetty. Dislokaation aiheuttamaa poikkeamaa täydellisestä kiderakenteesta kuvaava suure on Burgersin vektori b.Hull, D. & Bacon, D. J., Introduction to Dislocations,  4th edition, Butterworth Heinemann, Oxford, 2001

Särmädislokaatiossa kidehilaan on muodostunut ylimääräinen atomitason puolikas, kuten kuvassa 2 ylhäällä oikealla on esitetty. Tarkasteltaessa rakennetta tietystä suunnasta nähdään, että kyseessä on viivamainen virhe. Särmädislokaatiota kuvaamaan käytetään usein kuvassa näkyvää symbolia.

Ruuvityyppinen dislokaatio voidaan käsittää atomitasojen "vääntymisenä" toistensa suhteen, kuten kuvassa 2 alhaalla oikealla on esitetty. 


500px|thumbnail|right|Kuva 2. Ylhäällä vasemmalla: täydellinen kidehila  Ylhäällä oikealla: särmädislokaatio Alhaalla vasemmalla: täydellinen kidehila Alhaalla oikealla: ruuvidislokaatio

Dislokaation liike ja plastinen deformaatio

1900-luvun alkupuolella dislokaation käsitteen avulla pystyttiin selittämään kokeelliset havainnot, joiden mukaan makroskooppisen kappaleen plastinen deformaatio tapahtuu huomattavasti ns. teoreettista leikkausjännitystä matalamman jännityksen vaikutuksesta. Tämä johtuu siitä, että dislokaation liikkuessa aineessa, kaikkien atomitasolla olevien kiteen atomien ei tarvitse liikahtaa kerralla jotta deformaatio tapahtuu. Riittää, että vain dislokaation lähellä olevat atomit liikkuvat.Hirth, J. P., Lothe, J., Theory of Dislocations, 2nd edition, Krieger Publishing Company, Malabar, Florida, 1982 reprint 1992, s. 7–8

Dislokaatio liikkuu helpoimmin ns. liukutasoa pitkin kun materiaaliin kohdistuu leikkausjännitys. Tällaista liikettä kutsutaan dislokaation liu'uksi. 

Dislokaation liikettä materiaalin ollessa leikkausjännityksessä voidaan särmätyyppisen dislokaation tapauksessa havainnollistaa kuvan 3 osoittamalla tavalla. 

Dislokaation liike liukutasolla tapahtuu sen vieressä olevien atomien liikkuessa Burgersin vektorin verran liukutasolla. Burgersin vektori siis kuvaa myös dislokaation liikkeen aiheuttaman plastisen deformaation suuruutta. Makroskooppisen kappaleen kokonaisvaltainen plastinen deformaatio koostuu kaikkien yksittäisten dislokaatioiden liikkeestä.

Jos dislokaatioon diffusoituu välisija atomeja tai tyhjiä hilapaikkoja, dislokaatioviivan osat voivat siirtyä myös liukutasoon nähden kohtisuoraan suuntaan. Diffuusion vaikutus ei kuitenkaan ole suuri matalammissa lämpötiloissa.

250px|thumbnail|right|Kuva 3. Särmätyyppinen dislokaatio (musta symboli keskellä) liikkuu liukutasoa (vihreä katkoviiva) pitkin oikealle päin, kuvassa esitetyn leikkausjännityksen vaikutuksesta. Dislokaatioviivan suunta on kohtisuoraan kuvan sisäänpäin.

Dislokaatiolähteet

Jännityksen vaikutuksesta dislokaatioiden määrä materiaalissa voi kasvaa huomattavasti. Dislokaatioiden määrä voi kasvaa mm. raerajojen, pinnan tai ns. Frank-Read tyyppisen lähteen vaikutuksesta. Raerajoilla olevat kidevirheet tuottavat dislokaatioita, jotka jännityksen vaikutuksesta liikkuvat kiteessä. Vastaavasti pinnalla olevat epätäydellisyydet voivat kohottaa jännitystä, jolloin dislokaatioita muodostuu näissä paikoissa. Frank-Read lähde aktivoituu kun dislokaation liike liukutasolla on osittain estynyt yhdessä tai useammassa pistemäisessä paikassa. Esimerkiksi jos dislokaation liike on estynyt kahdessa paikassa, dislokaatio laajenee näiden pisteiden välistä kulkevasta viivasta joka suuntaan muodostaen toistuvasti ympyrän kuvan 4 osoittamalla tavalla, jolloin yksi dislokaatioviiva monistuu tuottaen useita dislokaatioita. Hull, D. & Bacon, D. J., Introduction to Dislocations,  4th edition, Butterworth Heinemann, Oxford, 2001 s. 151–153


Lähteet

 Aiheesta muualla 

Luokka:Materiaalitiede