Дефекты в кристаллах: классификация дефектов, движение, взаимодействие и источники дислокаций, дефекты упаковки

  Дж. Бюргер сом было введено представление  еще об одном типе дислокаций.

  Предположим, что в кристалле произведен сдвиг  так, как показано на рис. 8а. Линия дислокации 00', отделяющая область, где сдвиг произошел, от области, где сдвига нет, теперь не перпендикулярна, а параллельна вектору сдвига. В силу того, что кристалл в этом случае можно представить состоящим из одной атомной плоскости, «закрученной» вокруг дислокации 00', как винтовая лестница (рис. 86), дислокация была названа винтовой.

Рассмотрим  теперь случай, когда зона сдвига ограничена не прямой линией, а произвольной кривой (рис. 9). Линия 00' на рис. 9 представляет собой криволинейную дислокацию. В точке О дислокация параллельна вектору сдвига и, следовательно, имеет винтовой характер. В точке О линия дислокации перпендикулярна вектору сдвига, т. е. имеет краевую ориентацию. Такие дислокации получили название смешанных.

  Для обозначения дислокаций общего вида на чертеже принят символ ┴. В случае краевой дислокации «ножка» этого символа направлена в сторону расположения избыточного числа плоскостей, как это показано на рис. 7.

 

Движение  дислокаций

  Дислокация  является такой конфигурацией, которая  легко может двигаться через кристалл.  Предположим, что дислокация с единичным вектором 1 и вектором Бюргерса b передвигается в плоскости с нормалью n (положительное направление вектора нормали п выбираем произвольно). Тогда (1-n) = 0.

   Пусть m — единичный вектор направления движения дислокации (рис. 11), определяемый соотношением

 

Назовем положительной ту сторону плоскости  скольжения, в которую направлен вектор n. Другую сторону назовем отрицательной. Когда дислокация движется по плоскости в направлении , часть кристалла, расположенная с положительной стороны плоскости, сдвигается на вектор b относительно части кристалла, находящейся с отрицательной стороны плоскости скольжения. Рассмотрим следующие два случая.

1. Вектор b лежит в плоскости перемещения дислокации, т. е.

(n*b) =0.

Такое движение дислокации называется скольжением, а плоскость, в которой происходит ее движение, — плоскостью скольжения. Из рис. 12 видно, что передвижение дислокации путем скольжения осуществляется за счет небольшой перестройки атомов вблизи линии дислокации (в «плохом» материале).

Скольжение не сопровождается переносом массы  и осуществляется под действием небольших касательных напряжений . Расчет показывает, что касательное напряжение, необходимое для того, чтобы сдвинуть дислокацию, равно

Здесь v — коэффициент Пуассона. Полагая, что v = 0,3и а = b, находим ≈ 3*10^-4G.

Полученное  значение по порядку величины совпадает  с величиной критических напряжений, при которых начинается пластическая линия дислокации. Переползание винтовых дислокаций, связанное сдеформация реальных кристаллов. Этот факт свидетельствует о том, что пластическая деформация кристаллов связана с движением дислокаций.

2. Вектор b не лежит в плоскости перемещения дислокации, т. е.

(n • b) ≠ 0.

  В этом случае движущаяся дислокация оставляет  за собой либо вакансии, либо междоузельные  атомы в зависимости от знака  компоненты b в направлении вектора п. Если плотность материала

в плоскости  перемещения сохраняется, то движение дислокации обязательно сопровождается переносом вещества к этой плоскости  или от нее за счет диффузии атомов (рис. 13). Такое движение называется переползанием, так как при движении дислокация «переползает» из своей истинной плоскости скольжения, определяемой условием (nb) = 0. Переползание дислокации играет важную роль при высоких температурах, когда высока диффузионная подвижность атомов.

  Если  вектор b параллелен вектору 1, т. е. дислокация винтовая, то любой вектор n, для которого (n*1) = 0, также удовлетворяет условию (n*b) =0, т. е. всякое движение винтовой дислокации является скольжением. При этом плоскость скольжения неопределенна. Плоскостью скольжения может быть любая из плоскостей зоны, осью которой является линия дислокации. Переползание винтовых дислокаций, связанное с диффузионным переносом вещества, невозможно.

Источники дислокаций

    Выше  отмечалось, что дислокации возникают  в кристаллах в процессе их выращивания. При определенных условиях могут  быть получены кристаллы с весьма низкой (около 10² см^-2 и менее) плотностью дислокаций. В то же время хорошо известно, что при деформации плотность дислокаций возрастает и часто достигает значения 10¹⁰ см^-2. Для объяснения этого факта необходимо допустить, что внутри кристалла имеются источники дислокаций.

Один из возможных  механизмов размножения дислокаций был предложен Ф.Франком и В. Ридом. Действие источника Франка-Рида   схематически  показано  на рис. 14.

    

 

    Линия АВ представляет собой краевую дислокацию с закрепленными концами. Хотя дислокационная линия не может оборваться внутри кристалла, она может окончиться на некоторой плоскости, повернув в другую сторону или соединившись в узле с другими дислокациями, проходящими через данную плоскость. Такая   ситуация   изображена   на рис. 14. Узлы А и В являются точками закрепления дислокации. Закрепление может также произойти на атомах примеси. Франк и Рид обнаружили, что отрезок дислокации АВ, расположенный в плоскости скольжения, может действовать как источник неограниченного числа дислокаций. Под действием внешнего механического напряжения дислокация начинает изгибаться в плоскости скольжения и занимает сначала положение 1 (рис. 14). Заметим, что если бы концы отрезка были свободными, то дислокация стала бы двигаться путем скольжения. Дальнейшее постепенное выгибание дислокации может происходить лишь при непрерывно возрастающем напряжении т, которое достигает максимального значения в момент, когда дислокация принимает форму полуокружности. При этом критическое напряжение равно

 

где l — длина отрезка АВ. При г превышающих , конфигурация линии дислокации становится нестабильной и дислокация самопроизвольно расширяется, занимая положения 2,3,4- В положении 4 части дислокационной петли С и С" будут иметь винтовые компоненты противоположного знака, т. е. они будут двигаться навстречу друг другу в одной и той же плоскости скольжения и взаимно уничтожаться. В результате этого произойдет разделение дислокации на две: внешнюю и внутреннюю (положение 5). Внешняя дислокация разрастается до поверхности кристалла, а внутренняя занимает исходное положение. После этого весь процесс начинается сначала и продолжается до тех пор, пока приложены внешние напряжения достаточной величины.

  Число дислокаций, генерируемых источником Франка-Рида, не ограничено, но в общем  случае не все внешние дислокационные петли покидают кристалл. Число дислокаций увеличивается до тех пор, пока в результате взаимодействия упругих полей дислокаций суммарное обратное напряжение не скомпенсирует критическое напряжение сдвига, необходимое для действия источника. После этого источник становится неактивным.

  Дж. Бардин и С. Херинг описали другой механизм генерации дислокаций. Отчасти он аналогичен механизму Франка-Рида. В данном случае также осуществляется выгибание закрепленного отрезка дислокации, но не скольжением, а переползанием. Действие источника Бардина-Херинга можно понять, если предположить, что плоскость скольжения краевой дислокации АВ на рис. 14 лежит не в плоскости листа, как в предыдущем случае, а расположена в плоскости, перпендикулярной к нему. Движение дислокации вверх и вниз может происходить за счет зарождения и поглощения вакансий. Когда расширяющаяся петля перекрывается аналогично С и С на рис. 14, дислокация разрывается, образуется внешняя петля и восстанавливается исходный отрезок АВ. Ясно, что действие такого источника происходит при некоторой концентрации вакансий.

  Кроме рассмотренных существуют и другие источники дислокаций.

 

Взаимодействие  дислокаций с точечными  дефектами

  Во  всех реальных кристаллах одновременно содержатся и дислокации, и точечные дефекты. Между ними всегда есть некоторое взаимодействие. Дело в том, что даже вокруг простейших точечных дефектов — вакансий и междоузельных атомов — существуют поля упругих напряжений. Ясно, что междоузельный атом является сильным центром отталкивания и вызывает в решетке напряжения сжатия. Вакансия же, как правило, наоборот, стремится стянуть решетку вокруг себя, и, следовательно, является относительно сильным центром растяжения. Области сжатия и растяжения, как мы видели, существуют и вокруг краевых дислокаций. Поэтому между дислокациями, имеющими краевую компоненту, и между точечными дефектами возникают упругие взаимодействия. Междоузельные атомы и вакансии притягиваются к дислокации. В области растяжения возникает повышенная концентрация междоузельных атомов и пониженная концентрация вакансий, а в области сжатия — наоборот (рис. 15).

В большинстве  металлов энергия образования вакансий намного меньше энергии образования междоузельных атомов. Например, для благородных металлов типичные значения этих энергий составляют соответственно около 1 и 5эВ. Поэтому концентрация тепловых междоузельных атомов пренебрежимо мала по сравнению с концентрацией тепловых вакансий при температурах вплоть до температуры плавления. Заметная концентрация междоузельных атомов может быть получена при облучении кристалла или его пластической деформации.

 

  Точечные  дефекты и примесные атомы взаимодействуют также и с винтовыми дислокациями. В большинстве реальных кристаллов в силу их анизотропии искажения, создаваемые дефектами, являются несимметричными. Это и приводит к взаимодействию их со сдвиговыми напряжениями вокруг винтовой дислокации.

  Чрезвычайно важным результатом взаимодействия физических точечных дефектов (т. е. вакансий и междоузельных атомов) с дислокациями является их аннигиляция на дислокациях. Механизм такого явления можно понять из рис. 16, где изображена краевая дислокация, переходящая из одной плоскости в другую, смещенную на одно межатомное расстояние. Такой переход называется ступенькой.

 

 

  Если  к точке А подходит вакансия, то ступенька смещается в положение В, а сама вакансия исчезает. При поглощении междоузельного атома ступенька смещается в положение С. Таким образом, можно сказать, что ступеньки являются своеобразными стоками для точечных дефектов.

  Обратный  процесс — испускание точечных дефектов ступеньками — с точки зрения термодинамики равновероятен поглощению. В настоящее время общепринято, что ступеньки на дислокациях являются гораздо более важными источниками тепловых точечных дефектов, чем, например, поверхность кристалла.

  Кроме рассмотренного выше упругого взаимодействия в большинстве твердых тел имеется электрическое взаимодействие между дислокациями и точечными дефектами. Оно наиболее ярко проявляется в ионных кристаллах.

Двумерные дефекты в кристаллах — дефекты упаковки, малоугловые границы

  Выше  мы уже отмечали, что дефекты упаковки, границы зерен и двойников, границы  доменов, а также поверхность  кристалла относятся к двухмерным дефектам.

  Дефекты упаковки представляют собой нарушение закономерного чередования плотноупакованных слоев в реальных кристаллах, структура которых может быть описана в терминах плотнейших упаковок шаров. Рассмотрим, например, трехслойную плотнейшую упаковку. Как мы уже обсуждали в гл. 5, чередование слоев в такой структуре может быть символически записано в виде ... ABC ABC ABC ABC... Если, начиная с какого-то слоя, порядок чередования слоев изменить на обратный, то получится двойник, структура которого может символически быть записана как ... ABC ABC ↓ ВАСВАС, где стрелка отмечает положение двойниковой границы. Если через некоторое количество слоев вновь встретится двойниковая граница, т. е. порядок чередования плотноупакованных слоев снова станет первоначальным, то говорят о двойниковой прослойке. При этом чередование слоев для трехслойной упаковки можно представить следующей схемой:

... ABC ABC ↓ В АС В АС В AC ↑ ABC ABC...

  В предельном случае, если двойниковая прослойка состоит лишь из одного слоя

... ABC ABC ↓ В ↑ С ABC ABC

то он называется дефектом упаковки типа вычитания. Действительно, такой дефект получается, если из гранецентрированной кубической упаковки изъять один плотноупакованный слой или сдвинуть один слой.

Если двойниковая прослойка состоит из двух слоев

... ABC ABC ↓ В A ↑ ВС ABC... ,

то такой  дефект называется дефектом упаковки типа внедрения, поскольку его можно получить, добавляя к ГЦК-упаковке один лишний плотноупакованный слой.