Енергетичний критерій Франка — правило, сформульоване Чарльзом Франком, яке визначає термодинамічну доцільність реакцій між дислокаціями в кристалах. Згідно з цим критерієм, реакція злиття або розщеплення дислокацій є енергетично вигідною тоді, коли повна лінійна енергія дислокаційної системи після реакції є меншою, ніж до неї.

Критерій широко застосовується для аналізу взаємодії дислокацій, їх розщеплення на часткові дислокації та утворення нових типів лінійних дефектів у кристалічних матеріалах. Формулювання критерію У наближенні ізотропної теорії пружності лінійна енергія дислокації пропорційна квадрату модуля її вектора Бюргерса:

де — модуль зсуву, — модуль вектора Бюргерса.

Якщо дві дислокації з векторами Бюргерса і взаємодіють і утворюють дислокацію з вектором ,

то реакція є енергетично вигідною за умови

Ця нерівність і становить енергетичний критерій Франка. Він є необхідною, але не достатньою умовою перебігу реакції, оскільки не враховує кристалографічних обмежень, взаємодії з іншими дефектами та кінетичних факторів. Приклади застосування критерію Типовими прикладами дислокаційних реакцій, що задовольняють енергетичний критерій Франка, є розщеплення повної дислокації на часткові дислокації Шоклі та утворення часткової дислокації Франка. Розщеплення повної дислокації в ГЦК-кристалах У гранецентрованих кубічних (ГЦК) кристалах повна дислокація може розщеплюватися на дві часткові дислокації Шоклі:

Модуль вектора Бюргерса повної дислокації:

Для часткових дислокацій Шоклі:

Сума після реакції:

Перевірка критерію Франка:

Отже, розщеплення повної дислокації на дві часткові Шоклі є енергетично вигідним, що підтверджує стабільність часткових дислокацій Шоклі у багатьох ГЦК-металах. Унаслідок цієї реакції між частковими дислокаціями виникає дефект пакування. Утворення часткової дислокації Франка Іншим прикладом є реакція взаємодії двох часткових дислокацій Шоклі з утворенням часткової дислокації Франка:

Для вихідних часткових дислокацій:

Сума квадратів модулів:

Для результуючої часткової дислокації Франка:

Таким чином,

Це граничний випадок критерію Франка: енергії дислокацій однакові, тому перебіг реакції визначається додатковими факторами, зокрема енергією дефекту укладання. Часткова дислокація Франка є «сидячою» () і обмежує дефект пакування. Бар'єр Ломера—Котрелла Іншим типовим прикладом реакції дислокацій, що задовольняє енергетичний критерій Франка, є утворення . Така реакція виникає при взаємодії двох ковзних часткових дислокацій Шоклі, які рухаються в різних площинах ковзання:

У результаті утворюється часткова дислокація Франка з вектором Бюргерса

яка є «сидячою» і не може ковзати в жодній площині. Така конфігурація утворює бар'єр, який блокує рух дислокацій.

Для вихідних часткових дислокацій Шоклі:

Сума квадратів модулів:

Для результуючої часткової дислокації Франка:

Отже,

що відповідає граничному випадку енергетичного критерію Франка. Реалізація реакції визначається також енергією дефекту укладання та геометрією площин ковзання. Значення Енергетичний критерій Франка відіграє важливу роль у теорії дислокацій і використовується для аналізу: взаємодії дислокацій; розщеплення дислокацій; утворення сидячих дислокацій; механізмів пластичної деформації кристалів.

Таким чином, енергетичний критерій Франка є одним із базових інструментів для розуміння мікромеханізмів пластичної деформації з погляду аналізу стабільності та можливості перебігу дислокаційних реакцій у кристалічних матеріалах. Примітки

Джерела