Движение дислокаций, взаимодействие с точечными дефектами и примесями

Появление дислокаций может быть обусловлено различными причинами. Их возникновение вероятно уже в процессе кристаллизации. При затвердевании срастание отдельных ветвей дендритов происходит со смещением кристаллографических осей. Такое смещение может быть вызвано движением кристаллизующейся жидкости. Подобные особенности роста характерны для поликристаллических тел. С другой стороны, рост образовавшегося монокристаллического образца путем присоединения к поверхности двумерных зародышей в значительной мере облегчается, если в кристалле уже с момента зарождения формируется винтовая дислокация. Поэтому даже самыесовершенные кристаллы, которые удается выращивать, тем не менее, могут содержать, по крайней мере, винтовую дислокацию роста.

Возникновение дислокаций может быть вызвано с появлением термических напряжений. Релаксация таких напряжений возможна путем возникновения дислокаций. При этом повышение энергии из-за образования дислокаций компенсируется снижением энергии упругой деформации кристалла.

Аналогичный эффект оказывает концентрационный градиент, который может возникать в твердом растворе внедрения или замещения, если примесный атом замещения заметно отличается по размерам от атомов исходной твердой фазы. Различие в составе отдельных локальных участков твердого раствора способно вызвать разницу в параметре решетки. Возникающие при этом напряжения могут стимулировать процесс появления дислокаций, что позволяет ослабить эффект упругого искажения.

Типичным примером возникновения дислокации также является процесс перерождения скопления вакансий в дислокации. Он преимущественно наблюдается в сильно пересыщенных вакансиями кристаллах (например, после ускоренного охлаждения). Избыточные вакансии конденсируются в дискообразные образования. Когда диаметр вакансионного диска превышает некоторую критическую величину, то под действием сил межатомного притяжения его стороны сближаются, и диск сплющивается – происходит его захлопывание.

Движение по кристаллу краевых и винтовых дислокаций описывают с помощью различных моделей. Различают скольжение и переползание краевой дислокации.

Скольжение краевой дислокации. Сравнение теоретической и реальной прочности кристаллов показывает, что при сдвиге одна его часть перемещается относительно другой не как жесткое целое. Сдвиг зарождается на каких-то участках плоскости скольжения и затем постепенно распространяется на всю плоскость. Поэтому в каждый конкретный момент лишь небольшая часть атомов участвует в работе против внешних сил.

Рассмотрим схему атомного механизма перемещения краевой дислокации при сдвиге на одно межатомное расстояние (рис. 8.7). Под действием внешних сил атомы экстраплоскости А получат некоторое перемещение на расстояние, не превышающее межатомное (рис. 8.7, а). вследствие этого смещенная экстраплоскость будет упруго взаимодействовать с атомами нижней части соседней полной плоскости DE (рис. 8.7, б). При этом разрушится межатомная связь на участке D–E. В результате возникает новая полная плоскость АE (рис. 8.7, в), а функции полуплоскости передаются верхнему ряду атомов соседней, бывшей полной плоскости DE. Тем самым краевая дислокация перемещается на одно межатомное расстояние. На следующем этапе (в условиях непрерывного воздействия внешней нагрузки) будут разрываться следующие связи.

а) б) в)

Рис. 8.7. Перемещение краевой дислокации

Многократное повторение этого процесса приведет к тому, что дислокация выйдет на поверхность кристалла и верхняя его часть сдвинется относительно нижней на межатомное расстояние – возникнет ступенька

Как видно, при таком механизме сдвига в каждый момент времени в нем участвуют не все атомы по обе стороны от плоскости скольжения, а только те, которые находятся в области дислокации. Происходит поочередное, эстафетное перемещение атомов на величину, меньшую, чем межатомное расстояние. В результате этого дислокация скользит через весь кристалл, проходя макроскопический путь.

Если при одновременном смещении одной части кристалла относительно другой (то есть по схеме жесткого сдвига) нужно мгновенно разрывать все межатомные связи между плоскостями, то для перемещения постепенно двигающейся дислокации в каждый конкретный момент времени вполне достаточно разорвать связи только между небольшим числом атомов, находящихся в непосредственной близости от дефекта. Именно этим объясняется низкое опытное значение критического напряжения сдвига.

Переползание краевой дислокации. При скольжении краевая дислокация перемещается, все время оставаясь в своей плоскости. Однако возможен иной механизм движения этой дислокации – в направлении, перпендикулярном плоскости скольжения.

Такой механизм перемещения называется переползанием. Суть его состоит в том, что дислокация может двигаться вверх или вниз относительно исходной плоскости скольжения благодаря диффузионной миграции точечных дефектов (вакансий, межузельных атомов) к краю экстраплоскости. Так, если к краю полуплоскости подходят вакансии, то она будет укорачиваться, и, следовательно, краевая дислокация перейдет в вышерасположенную параллельную плоскость скольжения.

Преимущественный сток вакансий к линии дислокации объясняется упругим взаимодействием области растяжения около вакансии с полем упругих напряжений сжатия верхней части ядра дислокации.

Таким образом, перемещение краевой дислокации по нормали к своей плоскости скольжения осуществляется путем диффузии атомов или вакансий. В отличие от скольжения, не связанного с переносом массы, переползание является консервативным перемещением и сопровождается переносом массы.

Так как переползание связано с диффузионным перемещением атомов (вакансий), то этот процесс движения дислокаций является термически активируемым и зависящим от температуры. Поэтому интенсивность такого механизма перемещения в сильной мере определяется температурными условиями.

Существенное влияние на скорость переползания оказывает также концентрация точечных дефектов, поскольку последние стимулируют процесс диффузии (например, по вакансионному механизму). Чаще всего наблюдается переползание в новую плоскость скольжения не всей дислокации, а лишь части ее. В таком случае происходит образование на дислокации ступеньки, называемой порогом. Фактически переползание состоит в зарождении порогов и их последующем продвижении вдоль линии дислокации.

Особенность винтовой дислокации состоит в том, что для нее не определена однозначно плоскость сдвига. Это значит, что такая дислокация может скользить в любой кристаллографической плоскости, которая содержит линию дислокации и вектор сдвига.

При этом в отличие от краевой винтовая дислокация может переходить из одной атомной плоскости в другую скольжением. Если на пути движения винтовой дислокации в плоскости Р встречается какой-либо барьер, то она будет скользить в другой атомной плоскости R, находящейся под углом к первоначальной плоскости (рис. 19).

Такой процесс называется поперечным скольжением. Пройдя некоторый путь в плоскости поперечного скольжения и удалившись от барьера, винтовая дислокация может перейти в атомную плоскость S, параллельную исходной плоскости скольжения Р. В этом случае принято говорить о двойном поперечном скольжении. Если такой процесс повторяется многократно, то его называют множественным поперечным скольжением.

Наиболее важным способом размножения дислокаций, действующим в процессе пластического деформирования, является механизм Франка-Рида. Он основан на рассмотрении дислокационной линии, закрепленной на обоих концах (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Источник дислокаций Франка-Рида

Дислокационная линия АВ лежит в плоскости скольжения и зафиксирована в точках А и В (позиция 1). Закрепление в этих точках может быть вызвано различными причинами – они могут оказаться узловыми точками в трехмерной дислокационной сетке, ими способны быть также атомы примеси или частицы выделений.

При приложении нагрузки напряжение сдвига достигает критической величины, и дислокация начинает двигаться вперед. Приложенное напряжение оказывается максимальным для линии в форме полуокружности (позиция 2), но после прохождения этой стадии она становится неустойчивой и непрерывно расширяется (позиции 3–5). У точек закрепления А и В образуются спиральные участки дислокации.

На завершающем этапе два дислокационных участка с противоположными знаками будут перемещаться навстречу друг другу и при соприкосновении исчезнут (позиции 4–5). В результате получится замкнутая дислокационная петля, которая будет продолжать расширяться под действием приложенного напряжения. Одновременно восстанавливается первоначальный дислокационный отрезок АВ, который может полностью повторить описанный процесс.

Таким путем порождается бесконечная серия петель, пока обратные напряжения, возникающие при дислокационном воздействии ипротиводействующие приложенным напряжениям, не прекратят работу источника. Тогда плоскость скольжения окажется заблокированной, и пластическая деформация станет невозможной. Чтобы возобновить процесс пластической деформации, потребуется прикладывать к твердому материалу все большее по величине напряжение. Следовательно, при развитии деформаций происходит упрочнение материала.

В процессе образования дислокаций и их миграции при отжиге (особенно при повышенной температуре) дислокации могут образовывать скопления, например, так называемые дислокационные стенки. Дислокационные стенки относят к плоским дефектам. Последние создают границы зерен (блоков мозаики). Очевидно, что межблочные границы, являясь дефектной областью кристалла, содержат больше примесей, чем в среднем по кристаллу и, тем более, в блоках, которые представляют собой практические идеальные твердые фазы.

Дефекты упаковки

Дефекты этого вида наблюдаются для веществ, склонных к политипии, то есть обладающих способностью находиться в двух формах, которые отличаются по способу упаковки атомов. Чаще всего политипия наблюдается у веществ, имеющих слоистую структуру.

Металлический кобальт может находиться в двух основных формах, образуя плотнейшую кубическую или плотнейшую гексагональную упаковку. Обе эти структуры имеют одинаковые упаковки атомов в слое (двумерное подобие), а упаковка или наложение слоев происходит с разной последовательностью, расположение атомов в третьем измерении различается.

Разные позиции при наложении одинаковых слоев можно представить как АВСАВСАВСАВС…, где А, В и С – одинаковые слои, различным образом расположенные друг относительно друга, что характерно для плотнейшей кубической упаковки. Отсюда следует, что каждый четвертый слой имеет позицию, эквивалентную первому слою. Для структуры с плотнейшей гексагональной упаковкой чередование слоев обозначится как АВАВАВАВ…, то есть каждый третий слой занимает позицию, эквивалентную первому.

Всякое нарушение привычной последовательности (периодичности) в наложении слоев рассматривается как дефект упаковки. Используя такой же способ изображения при наложении слоев, как в плотнейшей гексагональной упаковке, можно считать, что структура АВАВСАВАВ… имеет дефект упаковки. Если взять за основу структуру плотнейшей кубической упаковки, то дефектом упаковки будет следующее чередование слоев: АВСАВСАВАВС… .

Аналогичным образом можно изобразить дефект упаковки для графита, который может находиться в двух политипах с плотнейшей кубической упаковкой и плотнейшей гексагональной упаковкой.