2.11. Двумерные (поверхностные) дефекты кристаллов

К ним в первую очередь относятся границы зерен и субзерен, дефекты упаковки. Поверхность кристалла также является двумерным дефектом, поскольку на поверхности нарушается регулярное трехмерное строение кристаллической решетки.

2.11.1. Границы зерен и субзерен

Кристаллические твердые тела чаще встречаются в виде поликристаллов, состоящих из множества сильно разориентированных друг относительно друга зерен. В свою очередь, зерна состоят из субзерен (или блоков), разориентированных друг относительно друга не более чем на Г.

При кристаллизации зерна растут из разных центров, а субзерна принадлежат одному центру кристаллизации. Если кристалл содержит лишь одно зерно, то это монокристам.

Зерна в кристаллических материалах разделены границами зерен, а субзерна — соответственно границами субзерен. В зависимости от угла разориентировки 0 границы зерен подразделяют на малоугловые (0 < 5—10°) и высокоугловые (или большеугловые) с большим углом разориентировки. Все границы субзерен являются малоугловыми.

В зависимости от взаимного расположения оси поворота и плоскости гран и цы различают границы наклона и границы кручения. Если ось поворота лежит в плоскости границы, то это граница наклона, если же ось поворота перпендикулярна плоскости границы — граница кручения.

Малоугловая симметричная граница наклона

Рис. 2.32. Малоугловая симметричная граница наклона: штриховыми линиями показаны краевые дислокации, перпендикулярные вектору Бюргерса b и плоскости чертежа; 0 — угол разориентировки; D — расстояние между дислокациями

На рисунке 2.32 изображена малоугловая симметричная граница наклона. Она представляет собой вертикальную стенку параллельных краевых дислокаций. Ввиду малости угла разориентировки 0 его можно определить из соотношения 0 = b/D, где b — вектор Бюргерса; D — расстояние между дислокациями. Два соседних зерна (или субзерна) имеют симметричный наклон относительно плоскости границы.

Более общий тип малоугловой границы наклона можно представить с помощью двух семейств краевых дислокаций, параллельных оси х,

но с векторами Бюргерса Ь± и направленными вдоль осей у и z (рис. 2.33). Здесь два кристалла несимметрично наклонены по отношению к плоскости границы, поэтому такую малоугловую границу наклона называют несимметричной.

Малоугловая несимметричная граница наклона

Рис. 2.33. Малоугловая несимметричная граница наклона

Граница кручения (рис. 2.34) образуется двумя взаимно перпендикулярными рядами винтовых дислокаций. Векторы Бюргерса этих дислокаций должны быть перпендикулярны к поворотной оси. Следует обратить внимание на расположение атомов по винтовой лестнице в области той или иной винтовой дислокации. Участки «хорошего» сопряжения атомов решетки представляют собой зерна (или субзерна) кристалла, они разделены на рис. 2.34 границами кручения.

В общем случае плоскость границы может иметь произвольную ориентировку по отношению к оси поворота блоков, и граница состоит из смешанных дислокаций.

Граница кручения

Рис. 2.34. Граница кручения: темными и светлыми кружками обозначены соответственно атомы ниже и выше плоскости границы

Идея о том, что границы зерен с малым углом разориентировки состоят из совокупности дислокаций, принадлежит Дж. Бюргерсу.

Строгая теория высокоугловых границ зерен пока еще не разработана. Установлено, что для каждой межзеренной границы существует равновесное расположение атомов в приграничной зоне, при этом минимуму поверхностной энергии соответствуют периодические структуры с малыми периодами. В основе их описания используется концепция совпадающих узлов, когда часть узлов одной решетки совпадает с узлами другой решетки (рис. 2.35, а). При этом низкоэнергетические межзеренные границы характеризуются высокой плотностью совпадающих узлов. На рисунке 2.35, б показано смещение зерен друг относительно друга, в результате чего уменьшается сумма энергий парных взаимодействий атомов соседних кристаллов.

Эксперименты показали, что высокоугловые границы зерен, близкие по структуре к низкоэнергетическим межзеренным границам, содержат зернограничные дислокации (рис. 2.36), движение которых может обеспечить взаимное смещение зерен.

Схема высокоугловой границы между зернами кубической решетки

Рис. 2.35. Схема высокоугловой границы между зернами кубической решетки: а — в положении совпадения; б — после взаимного смещения зерен; Р — сегмент повторяемости (единица повторяемости периодической структуры)

Строение высокоугловой межзеренной границы, содержащей зернограничную дислокацию (стрелками отмечены две экстраплоскости)

Рис. 2.36. Строение высокоугловой межзеренной границы, содержащей зернограничную дислокацию (стрелками отмечены две экстраплоскости): сама дислокация расположена за плоскостью рисунка;

РР — плоскость скольжения зернограничной дислокации

Однако следует учесть, что в реальности граница зерна обычно не плоская, поэтому перемещение зернограничных дислокаций осуществляется как скольжением, так и переползанием. Поэтому обычно взаимное смещение зерен идет только при высоких температурах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >