Дефекты кристаллических решеток

Дислокации — это линейные дефекты. Они имеют размеры в двух направлениях порядка атомных, а в третьем — соизмеримы с длиной кристалла.

Модель сдвига в стопке монет

Рис. 1.9. Модель сдвига в стопке монет

Представление о дислокациях было введено в физику твердого тела для того, чтобы объяснить несоответствие между экспериментально определенной и расчетной прочностью кристаллов. Первоначально пластическую деформацию монокристалла объясняли по аналогии со сдвигом монет в стопке (или сдвигом карт в колоде), когда направленное смещение каждой монеты по отношению к соседней вызывает изменение формы и размеров всей стопки (рис. 1.9).

Кристалл как бы разбивается на параллельные слои, разделенные плоскостями скольжения. Сдвиги одних слоев кристалла по отношению к другим приводят к образованию ступенек на его поверхности (см. рис. 1.9). Эти ступеньки имеют микроскопический размер. После небольшой пластической деформации поликристаллического образца на его предварительно отполированной поверхности они выявляются в виде тонких линий скольжения.

Сдвиг (скольжение) в кристалле, как и в стопке монет или в колоде карт, начинается тогда, когда касательное напряжение в плоскости скольжения достигает некоторой критической величины / .

кр

Модель сдвига с одновременным разрывом всех связей по плоскости скольжения М-М

Рис. 1.10. Модель сдвига с одновременным разрывом всех связей по плоскости скольжения М-М

У монокристаллов чистых металлов при комнатной температуре экспериментально определенное / ~ 0,2—1 МПа. Вместе с тем расчет показал, что при одновременном смещении всех атомов одного слоя (рис. 1.10) по отношению к соседнему слою с разрывом всех исходных связей и восстановлением новых связей после сдвига верхней части кристалла относительно нижней на одно межатомное расстояние необходимо приложить касательное напряжение порядка 104—105 МПа. Это на четыре-пять порядков (!) больше, чем экспериментально определенное значение / . Чтобы объяснить низкое значение / , предположили, что в сдвиге соседних слоев межатомные силы преодолеваются не одновременно. Для этого и ввели представление о дислокациях и их скольжении.

На рис. 1.11 показан кристалл, верхняя часть

которого сдвинута относительно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировано положение, когда сдвиг охватил не всю плоскость скольжения, а лишь часть ее — зону сдвига АВСй. На рис. 1.12 для случая примитивной кубической решетки показан разрез кристалла по плоскости, перпендикулярной границе зоны сдвига АВ на рис. 1.11. В этом сечении кристалл имеет п вертикальных атомных плоскостей. В результате несквозного сдвига на один период решетки п вертикальных атомных плоскостей, расположенных выше плоскости скольжения, оказались напротив («—1) вертикальных плоскостей, расположенных ниже плоскости скольжения (на рис. 1.12 десять против девяти). Одна вертикальная атомная плоскость, называемая экстраплоскостью, не имеет продолжения в нижней половине кристалла. Эксграплоскость как клин изгибает решетку. Непосредственно вблизи края экстраплоскости решетка сильно искажена.

!. Незаконченный сдвиг, создавший дислокацию АВ; стрелка — вектор сдвига

Рис. 1.1!. Незаконченный сдвиг, создавший дислокацию АВ; стрелка — вектор сдвига

Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией. Данная область сильного искажения кристаллической решетки распространяется от края экстра плоскости на радиус от двух до десяти атомных размеров. При этом выше края экстраплоскости сконцентрированы напряжения сжатия, а ниже его — напряжения растяжения. Вне этого ядра дислокации кристалл упругодеформирован (из-за наличия экстраплоскости). Упругие деформации не относятся к дефектам решетки, и, следовательно, вокруг дислокации (в том числе вдоль экстраплоскости) кристалл является совершенным.

Можно по-другому определить понятие дислокации: дислокацией называется линейное несовершенство, образующее внутри кристалла границу зоны сдвига.

При макроскопическом рассмотрении эта граница является геометрической линией (см. АВ на рис. 1.11) зоны сдвига АВСй. а при микроскопическом рассмотрении — областью несовершенства решетки (см. рис. 1.12). На рисунках краевую дислокацию обозначают значком <— (см. рис. 1.11 и 1.12), если экстраплоскость находится в верхней половине рисунка. Значок указывает на положительную краевую дислокацию. Если рис. 1.12 перевернуть на 180°, получим схему отрицательной краевой дислокации и ее значок.

Краевая дислокация в примитивной кубической решетке; стрелка — вектор Бюргерса

Рис. 1.12. Краевая дислокация в примитивной кубической решетке; стрелка — вектор Бюргерса

Главной количественной характеристикой дислокации является вектор Бюргере а, он служит мерой искаженное™ решетки вокруг дислокации. Если дислокация была введена в кристалл сдвигом (см. рис. 1.11), то вектор сдвига и является вектором Бюргерса Ь. Он определяет направление и величину смещений атомов, где сдвиг уже произошел, и степень искаженное™ кристаллической решетки (в единицах межатомных расстояний), связанной с присутствием дислокации. Вектор Бюргерса краевой дислокации перпендикулярен линии дислокации (см. рис. 1.11, линия АВ).

Дислокация повышает энергию кристалла главным образом благодаря упругой деформации кристалла вокруг нее. Энергия искажений решетки внутри ядра дислокации составляет по теоретическим оценкам не более 10% от энергии упругой деформации решетки вне ядра дислокации. Энергия дислокации, приходящаяся на единицу ее длины ?, пропорциональна модулю сдвига (7 и квадрату вектора Бюргерса:

Чем больше (7, тем сильнее межатомные силы сопротивляются смещениям атомов, а чем больше вектор Бюргерса, тем сильнее искажена решетка и, следовательно, больше накапливается упругой энергии искажений решетки. Энергия дислокации, приходящаяся на одно межатомное расстояние, составляет около 10 эВ. Столь большая энергия не может быть аккумулирована в результате колебательного движения атомов, которое характеризуется энергией, равной кТ. Поэтому дислокации — всегда неравновесные дефекты, повышающие внутреннюю энергию кристалла.

Смещения атомов при скольжении краевой дислокации справа налево на одно межатомное расстояние

Рис. 1.13. Смещения атомов при скольжении краевой дислокации справа налево на одно межатомное расстояние

Рассмотрим атомный механизм скольжения краевой дислокации. На рис. 1.13 в исходном состоянии атомы обозначены светлыми кружками, а в конечном — черными. Для перемещения дислокации из исходного положения 1 в соседнее положение 14 не нужно сдвигать всю верхнюю половину кристалла па одно межатомное расстояние. Достаточно, чтобы произошли следующие смещения атомов: атом I в положение 2; 3 в 4; 5 в 6; 7 в 9 в 10 11 в 12 13в 14-, 15в /6; /7в 18.

Перемещения атомов на расстояние меньше межатомного в области ядра дислокации приводят к перемещению самой дислокации на одно межатомное расстояние. При этом нижняя часть плоскости 7—17 объединяется с исходной экстраплоскостью в целую (плоскость 8—6), а верхняя превращается в новую экстраплоскость 14—18.

На рис. 1.13 сдвиг левее дислокации еще не произошел. Под действием приложенного касательного напряжения дислокация будет скользить справа налево и, когда она выйдет на левую боковую грань кристалла, здесь образуется ступенька величиной, равной вектору Бюргерса.

На рис. 1.14 показаны разные положения дислокации при ее скольжении справа налево. Пунктиром отмечена часть кристаллографической плоскости, в которой уже произошел сдвиг на одно межатомное расстояние. В каждый момент времени в сдвиге участвуют не все атомы по обе стороны от плоскости скольжения, а только те, которые находятся в области дислокации вокруг края экстраплоскости. Происходит поочередная эстафетная передача конфигурации расположения атомов в области ядра дефекта. На рис. 1.13 видно, что правее дислокации, где сдвиг уже произошел, решетка остается совершенной. При перемещении дислокации в соседнее положение разрываются межатомные связи только между двумя горизонтальными цепочками атомов, выходы которых на плоскость находятся в точках 11 и 13. Этим и объясняется низкое значение 7 . Здесь можно провести аналогию с протаскиванием большого ковра по полу. Вместо того чтобы затрачивать большие усилия на протаскивание всего ковра, можно добиться того же конечного результата, затрачивая небольшое усилие на продвижение складки от одного края ковра до другого.

Пробег краевой дислокации справа налево при сдвиге верхней половины кристалла относительно

Рис. 1.14. Пробег краевой дислокации справа налево при сдвиге верхней половины кристалла относительно

нижней на одно межатомное расстояние

Под действием одних и тех же касательных напряжений краевые дислокации разного знака движутся в прямо противоположных направлениях (рис. 1.15).

Поскольку вокруг каждой дислокации решетка упругодеформирована, т.е. имеется поле напряжений, то соседние дислокации упруго взаимодействуют одна с другой. Чем ближе одна к другой две экстраплоскости, с которыми связаны дислокации одного знака, тем сильнее искажение кристаллической решетки. Поэтому соседние дислокации одного знака, находящиеся в одной плоскости скольжения, взаимно отталкиваются. Разноименные дислокации, наоборот, взаимно притягиваются, так как в данном случае поле напряжений вокруг них уменьшается. Когда разноименные краевые дислокации в одной плоскости скольжения подходят вплотную одна к другой, две экстраплоскости сливаются в единую полную атомную плоскость и дислокации взаимно уничтожаются, аннигилируют.

Два порога на краевой дислокации

Рис. 1.15. Два порога на краевой дислокации

Скольжение дислокации через весь кристалл (см. рис. 1.14) не связано с переносом массы (атомов) от одного края кристалла к другому (атомы смещаются на доли межатомного расстояния лишь в ядре скользящей дислокации). Поэтому такое скольжение дислокаций, или консервативное движение, возможно при любых сколь угодно низких температурах. При достаточно высоких температурах (выше 0,5 Т ) становится возможным принципиально иной механизм движения краевой дислокации, связанный с диффузионным переносом массы и называемый переползанием — неконсервативпое движение. При отрыве атомов от кромки экстраплоскости или, наоборот, при присоединении атомов к этой кромке дислокация перемещается перпендикулярно плоскости скольжения на новый горизонт (см. рис. 1.13). «Растворение» кромки экстраплоскости и «наращивание» экстраплоскости являются диффузионными процессами, ускоряющимися с ростом температуры из-за повышения концентрации вакансий.

Естественно, что цепочка атомов на самой кромке экстраплоскости не отделяется одновременно по всей своей длине, и дислокация переползает на новый горизонт не целиком, а по частям (см.

рис. 1.13). В результате на кромке экстраплоскости и, следовательно, на линии дислокации образуются пороги (ступеньки). Если к такому порогу подходит и присоединяется вакансия, то это означает отрыв атома от порога и перемещение его на одно межатомное расстояние вдоль края экстраплоскости. При этом вакансия как таковая исчезает. Следовательно, дислокации с порогами являются местами стока и аннигиляции вакансий.

Сделаем в кристалле (рис. 1.16) несквозной вертикальный надрез до точки В и сдвинем правую переднюю часть кристалла вниз на один период решетки относительно левой половины. Образовавшаяся при таком сдвиге ступенька на верхней грани не проходит через всю ширину кристалла, оканчиваясь в точке В. У переднего края кристалла (вблизи точки А) сдвиг произошел ровно на один период решетки так, что верхняя атомная плоскость справа от точки А сливается в единое целое со второй сверху плоскостью слева от точки А. Если до сдвига кристалл состоял из параллельных горизонтальных атомных слоев, то после рассмотренного несквозного сдвига он превратился в одну атомную плоскость, закрученную в виде геликоида (винтовой лестницы). Величина смещения правой части по отношению к левой уменьшается по направлению от точки А к точке В.

Граница зоны сдвига (не видна на рис. 1.16) проходит от точки В вертикально вниз. Эта граница является линией винтовой дислокации, вдоль и вокруг которой на несколько атомных размеров находится область сильных смещений атомов от их узлов — ядро дислокации. Вокруг ядра винтовой дислокации, как и вокруг ядра краевой дислокации, решетка совершенна (существует только поле упругих сдвиговых деформаций и напряжений).

Кристалл с винтовой дислокацией в точке В

Рис. 1.16. Кристалл с винтовой дислокацией в точке В

В отличие от краевой дислокации, которая перпендикулярна вектору сдвига, линия винтовой дислокации параллельна вектору сдвига (вектору Бюргерса). В области ядра винтовой дислокации, в том числе вблизи точки В (см. рис. 1.16), атомы смещаются в направлении действующих на них сил (по вертикали) и ширина ступеньки увеличивается (рис. 1.17),

Сдвиг правой половинки кристалла относительно левой на величину вектора Бюргерса Ь при пробеге винтовой дислокации от передней грани до задней а сама дислокация скользит перпендикулярно вектору сдвига

Рис. 1.17. Сдвиг правой половинки кристалла относительно левой на величину вектора Бюргерса Ь при пробеге винтовой дислокации от передней грани до задней а сама дислокация скользит перпендикулярно вектору сдвига. Это также отличает ее от краевой, которая скользит параллельно вектору сдвига и направлению смешений атомов в ее ядре (см. рис. 1.13). Скольжение винтовой дислокации от передней грани до задней приводит к увеличению длины ступенек на верхней и нижней гранях кристалла (см. рис. 1.17). Когда винтовая дислокация достигает задней грани кристалла, эго приводит к сдвигу по вертикали всей правой части кристалла относительно левой.

Кристалл с правой (п) и левой (л) винтовыми дислокациями в плоскости АВСй V и V — напраатения скольжения правой и левой дислокаций под действием сдвиговых напряжений г

Рис. 1.18. Кристалл с правой (п) и левой (л) винтовыми дислокациями в плоскости АВСй V и V — напраатения скольжения правой и левой дислокаций под действием сдвиговых напряжений г

Винтовая дислокация, как и резьба винта, может быть и правой, и левой. На рис. 1.16 изображен кристалл с правой винтовой дислокацией: линию дислокации от верхнего горизонта к нижнему следует обходить спирально по часовой стрелке.

Если такой же обход приходится делать против часовой стрелки, то дислокация является левой.

На рис. 1.18 в одной плоскости ABCD находятся правая и левая винтовые дислокации. Видно, что под действием одинаковых сдвиговых напряжений винтовые дислокации разного знака скользят в прямо противоположных направлениях (навстречу друг другу). Видно также, что, если винтовые дислокации разного знака встретятся, произойдет их аннигиляция. Параллельные винтовые дислокации одного знака взаимно отталкиваются и удаляются одна от другой скольжением.

В отличие от краевой винтовая дислокация может переходить из одной плоскости в другую без переноса массы — поперечным скольжением. Дело в том, что винтовая дислокация в отличие от краевой не определяет однозначно плоскости сдвига. Если на пути скольжения винтовой дислокации в плоскости Р встречается какой-то барьер, го дислокация начинает скользить в другой атомной плоскости R, находящейся под углом к первоначальной плоскости скольжения />(рис. 1.19). Это и есть поперечное скольжение. Пройдя некоторый путь в плоскости поперечного скольжения и удалившись от барьера, винтовая дислокация может перейти в атомную плоскость S, параллельную первоначальной плоскости скольжения Р. Этот процесс называют двойным поперечным скольжением.

Винтовая дислокация ВС после двойного поперечного скольжения

Рис. 1.19. Винтовая дислокация ВС после двойного поперечного скольжения

На всех рассмотренных выше схемах и краевые, и винтовые дислокации были прямолинейны. Дислокации, наблюдаемые в реальных металлах с помощью просвечивающего электронного микроскопа, обычно криволинейны, т.е. по ориентации линий и вектора Бюргерса их нельзя отнести ни к краевым, ни к винтовым.

На рис. 1.20 линия АС ограничивает внутри кристалла заштрихованную зону сдвига. По определению граница зоны сдвига является дислокацией. Вблизи точки А участок этой дислокации параллелен вектору сдвига, т.е. имеет винтовую ориентацию, а участок вблизи точки С перпендикулярен вектору сдвига, т.е. имеет краевую ориентацию (в точке С на рис. 1.20 оканчивается экстраплоскость).

Между участками с чисто краевой и чисто винтовой ориентациями дислокация АС имеет смешанную ориентацию. Под действием приложенных касательных напряжений С зона сдвига (заштрихована на рис. 1.20) расширяется. Участок дислокации с чисто краевой ориентацией вблизи точки С скользит в направлении приложенной силы, а участок с чисто винтовой ориентацией вблизи точки А скользит перпендикулярно этому направ-

Сдвиг верхней половины кристалла относительно нижней при пробеге смешанной дислокации

Рис. 1.20. Сдвиг верхней половины кристалла относительно нижней при пробеге смешанной дислокации

лению. Когда вся линия смешанной дислокации выйдет на внешние грани, верхняя часть кристалла окажется сдвинутой относительно нижней на один период решетки. Таким образом, линия смешанной дислокации образует со своим вектором Бюргерса переменный угол и движется под переменным углом к этому вектору.

Пробег одной дислокации через весь кристалл приводит к сдвигу по плоскости скольжения на величину вектора Бюргерса. Наблюдаемый же экспериментально сдвиг па поверхности кристалла в виде линий скольжения па несколько порядков больше межатомного расстояния. Дислокаций, имеющихся перед началом деформации совершенно недостаточно, чтобы объяснить такие большие сдвиги последовательным пробегом дислокаций по одной плоскости скольжения. Поэтому был сделан вывод о том, что в процессе деформирования образуется большое число новых дислокаций, т.е. действуют какие-то механизмы их размножения.

В механизме, предложенном Франком и Ридом, источником дислокаций служит дислокация /)/)’, концы которой закреплены (рис. 1.21, а). На рис. 1.21 плоскость чертежа является плоскостью скольжения, содержащей линию краевой дислокации ДД' с вектором Бюргерса Ь. Под действием касательных напряжений, параллельных вектору Бюргерса, дислокация ДД' выгибается в дугу, т.е. становится смешанной (рис. 1.21,6).

Затушеванная плошадь, через которую продвинулась дислокация, является зоной, где сдвиг уже прошел. Дальнейшее расширение зоны сдвига приводит к тому, что смешанная дислокация закручивается вокруг точек своего закрепления Д и Д' (рис. 1.21, в, г). Участок дислокации вблизи точки А имеет краевую ориентацию, а вблизи точек В и В' — винтовую. Участок краевой ориентации скользит по направлению вектора Бюргерса Ь, а участки винтовой ориентации — перпендикулярно ему. Поскольку последние в точках В и В' имеют противоположные знаки, то они перемещаются под действием одних и тех же напряжений в прямо противоположных направлениях. На участках вблизи точек Ди Д' дислокация имеет краевую ориентацию. Знак краевой дислокации вблизи точек Ди Р противоположен знаку краевой дислокации вблизи точки А. Под действием одних и тех же напряжений краевые дислокации разного знака скользят в прямо противоположных направлениях.

Вблизи точек С и С' участки дислокации имеют винтовую ориентацию и противоположный знак. Двигаясь навстречу друг другу, эти участки соприкасаются и взаимно уничтожаются. В результате одна смешанная дислокация разделяется на две — замкнутую петлю и дислокацию ДСД', состоящую из двух дуг (рис. 1.21, д). Замкнутая дислокационная петля не связана с точками закрепления О и О'. Под действием касательного напряжения она мо-

Формирование смешанной дислокации

Рис. 1.21. Формирование смешанной дислокации

жет неограниченно распространяться во все стороны и выйти на поверхности кристалла, создавая сдвиг на один вектор Бюргерса.

Дислокация DCD', выпрямляясь под действием касательного напряжения, приходит в стартовое положение исходной краевой дислокации DD'. Действующее напряжение вновь выгибает дислокацию в дугу и т.д. Таким способом источник Франка - Рида может генерировать неограниченное число дислокационных петель в одной плоскости скольжения и создавать в этой плоскости сдвиг величиной в соответствующее число векторов Бюргерса. Экспериментально выявлены и другие источники дислокаций.

Описанные выше модели дислокаций разного вида были рассмотрены на основе примитивной кубической решетки, которая несвойственна металлам. В решетках типичных металлов ГЦК, ГК и ОЦК также присутствуют краевые, винтовые и смешанные дислокации. Однако их движение происходит только в плоскостях и направлениях плотнейшей упаковки, т.е. в тех плоскостях, которые представляют собой плотнейшие гексагональные укладки, моделью которых служат шаровые упаковки. В ГЦК-решетке это плоскости октаэдра {111} и направления <110>, в ГП-решетке — плоскости базиса {0001} и направления <12 1 0>, а в ОЦК-решегке — три близких по плотности укладки плоскости {110}, {112} и {123}, содержащие направление <111 >.

Перечисленные сочетания плоскостей и направлений для скольжения дислокаций в соответствующих решетках являются системами скольжения, в них обеспечивается наименьшее сопротивление («трение») движению дислокаций.

Плотнейшей упаковке в ГЦК-решетке соответствует чередование слоев по схеме А ВС А ВС А ВС (повторение через два слоя), а в ГП-решетке чередование АВАВАВ (повторение через один слой). В ОЦК-решегке повторение укладки плоскости {112} происходит через пять слоев, и здесь это не рассматривается.

Порядок укладки слоев, свойственный решеткам ГП и ГЦК, может быть нарушен. Прослойку с нарушенным чередованием плотноупакованных слоев называют дефектом упаковки. Один из типичных случаев образования дефекта упаковки в ГЦК-решетке — чередование горизонтальных слоев {111} плотнейшей упаковки АВСАВС..., в которой средняя часть слоя В изъята (см. рис. 1.23). Это может быть результатом скопления (конденсации) вакансий в виде диска в плоскости плотнейшей упаковки ковки в пересыщенном вакансиями быстроохлажденном металле. Под действием сил стягивания электронным газом ионов из слоев А и С «диск пустоты» самоустраняется (рис. 1.22, б). Это явление называют захлопыванием диска вакансий.

Захлопывание диска вакансий в ГЦК-ре- шетке с образованием дефекта упаковки ЛСАС (прослойка ГП-укладки)

Рис. 1.22. Захлопывание диска вакансий в ГЦК-ре- шетке с образованием дефекта упаковки ЛСАС (прослойка ГП-укладки)

На месте захлопнувшегося вакансионно- го диска возникает плоский дефект упаковки (ГП-прослойка) — чередование слоев АСАС вместо характерного для ГЦК-решетки чередования слоев АВСАВС. Из рис. 1.22, б видно, что кромка захлопнувшегося вакансион- ного диска представляет собой дислокационную петлю, расположенную в плоскости плотнейшей упаковки и являющуюся границей дефекта упаковки.

Вектор Бюргерса краевой дислокации перпендикулярен плоскости дефекта упаковки. Такая дислокация не может скользить: плоскость скольжения оказалась бы перпендикулярной плоскости дефекта упаковки, а рассматриваемая дислокация не может отсюда уйти, так как является границей дефекта упаковки. Такая дислокация, называемая дислокацией Франка, является сидячей. Она может только переползать в плоскости своего дефекта упаковки.

Векторы Бюргерса полной А, и частичных А, и А, в слое плотнейшей упаковки атомов А

Рис. 1.23. Векторы Бюргерса полной А, и частичных А, и А, в слое плотнейшей упаковки атомов А

Например, дислокационная петля Франка может расширяться при «растворении» кромки экстраплоскости В в результате подхода к ней вакансий и соответственно ухода атомов.

Границей дефекта упаковки может быть и скользящая дислокация. Ее образование представим на примере ГП-решетки, в которой атомы упакованы по схеме АВАВАВ.... На рис. 1.23 показан слой атомов А. Атомы соседнего слоя находятся в лунках В. Если все шары из лунок В сместить на вектор Ь1 в соседние лунки В, то это будет тождественная трансляция — конечное положение слоя В нельзя отличить от начального.

При смешении вдоль вектора А , шар В должен перекатиться через шар А т.е. преодолеть достаточно высокий энергетический барьер (пройти через «перевал»). Значительно легче каждому шару В перекатиться по «желобу» в соседнюю лунку С вдоль вектора Ь2. При этом преодолевается меньший энергетический барьер. Положения С не свойственны укладке шаров в ГП-решетке. Если часть слоя В будет сдвинута в положение С, то в ГП-решетке образуется дефект упаковки (рис. 1.24). Границами этого плоского дефекта являются дислокации Шокли. Их векторы Бюргерса ( см. А, и Ь} на рис. 1.23) находятся в плоскости дефекта упаковки, и дислокации Шокли могут скользить только в этой плоскости. На рис. 1.25 сделан несквозной сдвиг верхней части кристалла ГП-решетки относительно нижней по аналогии с рис. 1.11 и 1.12.

Два атомных слоя А и В ГП-решетки и дефект упаковки шириной с! в верхнем слое

Рис. 1.24. Два атомных слоя А и В ГП-решетки и дефект упаковки шириной с!а в верхнем слое

На участке, отмеченном пунктиром на рис. 1.25, сдвиг прошел на вектор тождественной трансляции Ьг и в зоне сдвига восстановлена совершенная структура. На участке, отмеченном волнистой линией, атомы сместились на вектор А,, не являющийся вектором тождественной трансляции (см. векторы А, и А на рис. 1.23). Следовательно, на рис. 1.25 волнистой линией обозначен дефект упаковки, границами которого являются скользящие дислокации Шокли (/.—?).

Дислокации, вектор Бюргерса которых является вектором тождественной трансляции решетки, скользят, оставляя за собой совершенную структуру. Такие дислокации называют полными. Дислокации, вектор Бюргерса которых меньше вектора тождественной трансляции, называют

частичными. Такие дислокации являются границами дефекта упаковки. К частичным относятся скользящие дислокации Шокли и сидячие дислокации Франка (см. рис. 1.22,5).

Дефект упаковки (волнистая линия) с частичными дислокациями Шокли по его краям

Рис. 1.25. Дефект упаковки (волнистая линия) с частичными дислокациями Шокли по его краям

Две частичные дислокации Шокли, связанные между собой дефектом упаковки (см. рис. 1.25), называют растянутой или расщепленной дислокацией. С дефектом упаковки связан избыток энергии, и он стремится уменьшить свою площадь. При определенном расстоянии с/о между частичными дислокациями Шокли устанавливается равновесие силы их стягивания под действием поверхностного натяжения дефекта упаковки и силы взаимного отталкивания частичных дислокаций, имеющих одинаковый знак. Чем меньше энергия (поверхностное натяжение) дефекта упаковки, тем на большее расстояние упруго отталкивается одна частичная дислокация от другой и больше соответственно ширина растянутой дислокации.

Растянутая дислокация может скользить в плоскости дефекта упаковки как единое целое. Головная частичная дислокация смещает атомы вдоль вектора Ь, в положение С (см. рис. 1.23) и оставляет за собой дефект упаковки, а скользящая вслед за ней замыкающая частичная дислокация смещает атомы в области дефекта упаковки вдоль вектора Ь} из положений С в положения В и тем самым ликвидирует на своем пути дефект упаковки. Результат перемещения растянутой дислокации в точности такой же, какой получился бы при скольжении полной (нерасщепленной) дислокации с вектором Бюргерса Ьу В зоне сдвига одна часть кристалла смещается относительно другой на величину Ьу Обусловлено это тем, что соблюдается векторная сумма: А( = А, + Ь (см. рис. 1.23).

Полная винтовая дислокация, как отмечалось ранее, может совершать поперечное скольжение (см. рис. 1.19). Расщепление винтовой дислокации на две частичные исключает это — растянутая дислокация может скользить только в той плоскости, в которой находится ее дефект упаковки. Поперечное скольжение может произойти, если в своей плоскости скольжения растянутая винтовая дислокация останавливается барьером, и под действием касательного напряжения замыкающая и головная частичные дислокации сближаются с образованием полной дислокации и ликвидацией дефекта упаковки. Образовавшаяся таким путем полная винтовая дислокация совершает поперечное скольжение и затем расщепляется в новой плоскости скольжения.

Растянутая краевая дислокация не может совершать переползание, так как не может покинуть плоскость своего дефекта упаковки. Переползание становится возможным после слияния частичных дислокаций с образованием полной краевой дислокации.

Чем меньше энергия дефекта упаковки, тем шире растянутая дислокация и тем труднее ее сжать до полной дислокации. Следовательно, поперечное скольжение винтовых и переползание краевых дислокаций наиболее затруднены в металлах с низкой энергией дефекта упаковки (А”, Аи, у-Ре» сплавы «Си — 2п» и др.) и облегчены в металлах с высокой энергией дефекта упаковки (А1, N1, Мо, V/ и др.).

В твердых растворах внедрения и замещения атомы примесей или легирующих элементов располагаются в кристаллической решетке металла-основы однородно, но хаотично, нет какого-либо предпочтения определенным узлам кристаллической решетки. Однако известен ряд сплавов, например среди сплавов меди с золотом, у которых атомы легирующего элемента располагаются определенным образом: в ГЦК-решетке по узлам, находящимся в серединах граней.

При рентгеновском исследовании таких сплавов были обнаружены дополнительные линии на рентгенограмме, обусловленные отражениями от плоскостей, заполненных только атомами примеси. Такие линии назвали сверхструктурными, а сплавы — сверхструктурами или упорядоченными твердыми растворами.

Возникновение полной единичной дислокации в упорядоченном сплаве приводит к нарушению порядка укладки атомов. Так, на рис. 1.26 справа от левой дислокации чередование атомов нарушено, возникает контакт между атомами одного сорта, чего нет в других местах кристаллической решетки, где отсутствуют дислокации. Такой дефект (см. пунктир на рис. 1.26), как и дефект упаковки, тянется плоскостью вдоль линии дислокации и не оборвется внутри кристалла. Он может выйти на поверхность кристалла или его ограничивает другая полная дислокация (см. справа па рис. 1.26), которая восстанавливает исходную последовательность чередования атомов разных сортов. Такой плоский дефект в упорядоченном сплаве, ограниченный двумя полными дислокациями, называют антифазной границей (АФГ), а совокупность двух полных единичных дислокаций и антифазной границы между ними — парной дислокацией. Ан- тифазная граница, как и двумерный или плоскостной дефект упаковки, обладает энергией на единицу площади, т.е. поверхностным натяжением, которое уравновешивает силы отталкивания двух единичных дислокаций одинакового знака в одной плоскости на определенном расстоянии. Парные дислокации в упорядоченных структурах скользят так же, как и расщепленные дислокации: хвостовая дислокация под действием внешних касательных напряжений, продвигаясь вперед, уменьшает ширину АФГ; силы отталкивания, восстанавливая равновесие, двигают головную дислокацию.

Схема парной дислокации в сверхструктуре с антифазной границей (пунктир), по которой наблюдается неправильное чередование атомов разных сортов

Рис. 1.26. Схема парной дислокации в сверхструктуре с антифазной границей (пунктир), по которой наблюдается неправильное чередование атомов разных сортов

Примесный атом внедрения, например атом углерода в железе, создает вокруг себя поле значительных напряжений, как бы расталкивая соседние атомы основного металла. Такой атом должен испытывать притяжение к краевой дислокации, так как ему легче разместиться в области разрежения под краем экстраплоскости (см. рис. 1.12). По тем же причинам краевая дислокация может притягивать к себе и примесные атомы замещения. Чем больше несоответствие размеров примесных атомов замещения и атомов основного металла, тем сильнее это притяжение. Таким образом, атомы примеси могут «осаждаться» в виде цепочки или скоплений вдоль края экстраплоскости. Данные избыточные инородные атомы вокруг краевой дислокации называют атмосферой Kommpe.ua.

Вблизи винтовых дислокаций в ОЦК-решетке возникают атмосферы Снука. Это связано с тем, что октапоры в такой решетке увеличивают свои размеры под действием напряжений вокруг винтовой дислокации и заполняются примесями.

Возле растянутых дислокаций возникают атмосферы Сузуки. Поскольку дефект упаковки, располагающийся между частичными дислокациями, — всегда прослойка другой кристаллической решетки с другим чередованием слоев, то и растворимость примесей в дефекте упаковки ие такая, как в основной кристаллической решетке данного сплава. Возникающая в дефекте упаковки другая концентрация примесей называется атмосферой Сузуки. В отличие от атмосфер Коттрелла и Снука, которые с повышением температуры размываются тепловым колебательным движением атомов (примесные атомы отрываются от дислокаций), атмосферы Сузуки сохраняются до значительно более высоких температур.

Скользящие дислокации всегда тормозятся, часто вплоть до полной остановки. В твердом растворе решетка искажена атомами растворенного элемента (см. рис. 1.6), поля напряжений вокруг примесных атомов и вокруг дислокаций взаимодействуют, и поэтому скольжение дислокаций затруднено. Чем больше концентрация твердого раствора, тем сильнее торможение дислокаций, поэтому сплавы — твердые растворы, прочнее чистых металлов.

Атмосферы Коттрелла, Снука и Сузуки затрудняют скольжение дислокаций. В отличие от самой дислокации, скольжение которой осуществляется эстафетной передачей конфигурации при смещении то одних, то других атомов на доли межатомного расстояния (см. рис. 1.12), атмосфера из примесных атомов может перемешаться на большие расстояния вместе с дислокацией только диффузией. Диффузия — медленный процесс, и сила взаимного притяжения дислокации к примесной атмосфере тормозит скользящую дислокацию.

Скользящие в разных плоскостях дислокации образуют сложные сплетения, которые являются барьерами для других скользящих дислокаций. Две растянутые дислокации, скользящие в пересекающихся плоскостях, при встрече образуют неподвижный барьер для других скользящих дислокаций (рис. 1.27). На рис. 1.27, а штриховкой обозначены дефекты упаковки, по краям которых находятся частичные дислокации Шокли. При встрече головных дислокаций Шокли (см. рис. 1.27, б) вдоль линии пересечения плоскостей скольжения образуется новая частичная дислокация (вершинная) и возникает неподвижная конструкция — барьер Ломер — Коттрелла из трех частичных дислокаций, связанных клинообразным дефектом упаковки. Частичная вершинная дислокация между двумя дефектами упаковки действует как стержни, которыми крепят ковер на ступенях лестницы. Если к такому барьеру будет приближаться скользящая дислокация, то она испытает отталкивание со стороны поля упругих напряжений хвостовой дислокации в барьере Ломер — Коттрелла и после определенного сближения с барьером остановится. Следующая дислокация, скользящая в той же плоскости, будет остановлена ранее задержанной дислокацией и т.д. Около барьера Ломер — Коттрелла возникает скопление дислокаций (рис. 1.28).

Образование барьера Ломер — Коттрелла при встрече растянутых дислокаций на линии пересечения плоскостей скольжения

Рис. 1.27. Образование барьера Ломер — Коттрелла при встрече растянутых дислокаций на линии пересечения плоскостей скольжения: а — до встречи; 6 — после встречи

Скопление дислокаций у барьера

Рис. 1.28. Скопление дислокаций у барьера

Границы зерен также являются эффективными барьерами для скользящих дислокаций. На каждую приближающуюся к барьеру дислокацию действуют результирующие напряжения от совокупности ранее остановившихся дислокаций, и поэтому каждая новая дислокация останавливается на наболее далеком расстоянии от предыдущей (см. рис. 1.28).

Дисперсные частицы, например частицы химического соединения, — один из главных факторов торможения дислокаций в сплавах. Напряжение, необходимое для проталкивания дислокаций между частицами, разделенными расстоянием / (рис. 1.29), равно

где (7 — модуль сдвига; Ь — вектор Бюргерса дислокации.

Схема обхода частиц дислокацией с образованием петель дислокаций вокруг частиц

Рис. 1.29. Схема обхода частиц дислокацией с образованием петель дислокаций вокруг частиц

При напряжении г > / дислокация АВ выгибается между частицами, ее участки смыкаются за каждой частицей, а дислокация А'В', оставляя вокруг частиц петли, продолжает скользить в прежнем направлении. Механизм смыкания двух изогнутых ветвей здесь такой же, как у рассмотренного ранее источника Франка - Рида при взаимодействии спиральных участков дислокации вблизи точек С и С' (см. рис. 1.21, д). Любая новая дислокация, проходя между частицами, оставляет вокруг каждой из них дислокационное кольцо. Накапливающиеся кольца как бы сужают проход между частицами, и / возрастает по мере развития пластической деформации — металл упрочняется.

При очень малом расстоянии между особенно мелкими частицами, а также если кристаллические решетки частиц и матрицы плавно сопрягаются (когерентность), более легким может оказаться проход дислокаций через их тело, как бы перерезание частиц (рис. 1.30), что также является одним из факторов торможения дислокаций в сплавах.

Перерезание дисперсных частиц скользящей дислокацией

Рис. 1.30. Перерезание дисперсных частиц скользящей дислокацией

Любые способы торможения дислокаций и блокирования их движения означают повышение сопротивления материала деформированию, т.е. повышение его твердости и прочности, но при этом в большинстве случаев снижаются характеристики пластичности металла.

Основная характеристика дислокационной структуры металлов — плотность дислокаций р, под которой понимается суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема:

Так как суммарная длина дислокаций ?/ измеряется в сантиметрах (см), а объем — в кубических сантиметрах (см3), то у р получается размерность см 2. У отожженного металла плотность дислокаций 106—10* см-2, у металла после сильной холодной деформации — 10м—1012 см 2. Металлические монокристаллы могут иметь р менее 104—105 см 2. Если р = 10" см 2, это означает, что в 1 см3 металла суммарная длина дислокаций равна 1 млн км (!).

От плотности дислокаций зависит большинство технически важных свойств металлов и сплавов. Величину р определяют в основном методом ПЭМ (просвечивающей электронной микроскопии).

Границами зерен и субзерен называют поверхности, по обе стороны от которых кристаллические решетки пространственно разориентированы. Это означает, что одни и те же кристаллографические направления по разные стороны таких поверхностей находятся под некоторым углом разориентации 0 по отношению друг к другу.

Границы зерен и субзерен являются плоскостными, или двумерными дефектами: они имеют макроскопические размеры в двух измерениях и атомные — в третьем измерении.

Зерна вырастают из разных центров. Субзерна образуются внутри одного зерна. Они разделены малоугловыми границами, при переходе через которые угол разориентации решеток 0 не превышает 10°. Малоугловые границы моделируют системами дислокаций. Простейший вариант строения малоугловой границы показан на рис. 1.31.

Дислокационная модель

Рис. 1.31. Дислокационная модель

Решетки двух субзерен упруго сопрягаются за исключением тех мест, где оканчиваются неполные атомные плоскости, т.е. где находятся краевые дислокации. Такая граница является стенкой дислокаций, в которой краевые дислокации одного знака расположены одна под другой. Это обеспечивает некоторый минимум энергии данной поверхности, так как область сжимающих напряжений (над краем экстраплоскости) каждой нижней дислокации находится рядом с областью растяжения (под краем экстраплоскости) каждой верхней дислокации и взаимно компенсируются. Малоугловая граница может перемещаться путем движения входящих в нее дислокаций.

Из рис. 1.31 видно, что чем больше угол разориентации 0, тем меньше расстояние й между дислокациями в стенке. При углах разориентации более 10° дислокационная моделы^приемлема для описания строения границ, так как дислокациям приходится располагаться в них очень близко друг к другу, из-за чего они теряют свою индивидуальность (их ядра сливаются). Это обстоятельство сделало 0 = 10—15° условной границей между малоугловыми и высокоугловыми границами.

Кристаллические решетки зародышей соседних зерен в общем случае сильно различаются по пространственной ориентации, и поэтому зерна, как правило, разделены высокоугловыми границами (угол разориентации более 10—15°). Хотя ширина таких границ в металлах составляет один-два атомных диаметра, в общем случае высокоугловые границы имеют более рыхлое строение и быстрее мигрируют (перемещаются при повышенных температурах), чем малоугловые. Большинство современных моделей строения высокоугловой границы исходит из того, что эта граница состоит из чередующихся участков «хорошего» и «плохого» сопряжения решеток соседних зерен. Участки «плохого» сопряжения могут содержать зернограничные дислокации.

Модель строения высокоугловой границы зерен со скользящей зернограничной дислокацией; стрелками выделены две ее экстраплоскости

Рис. 1.32. Модель строения высокоугловой границы зерен со скользящей зернограничной дислокацией; стрелками выделены две ее экстраплоскости

Например, па рис. 1.32 между двумя участками хорошего сопряжения находится участок плохого сопряжения, где оканчиваются две экстраплоскости верхнего зерна, не имеющие продолжения в нижнем зерне. Вокруг края этих экс- граплоскостей по поверхности границы зерна тянется область линейного несовершенства — зернограничная дислокация. Скольжение такой дислокации вдоль высокоугловой границы приводит к смещению одного зерна относительно другого (по аналогии с внутрикристаллитным сдвигом при движении решеточных дислокаций на рис. 1.15), называемому зернограничным скольжением (ЗГС). Оно наблюдается только при температурах активности диффузионных процессов, т.е. выше 0,5 Т .

Управление числом и распределением точечных, линейных и поверхностных дефектов — один из главных путей целенаправленного изменения свойств металлов и сплавов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >