Оглавление (стр. 91 )

2.10.8. Протяженные дефекты

До сих пор мы рассматривали дефекты, размеры который сравнимы с размерами параметра решетки. Условны они были названы точечными, и поскольку точка как геометрическое понятие не имеет размеров, их иногда, также условно называют нульмерными. Условность такого названия проистекает от того, что в отличие от геометрической точки точечный дефект имеет размеры.

Между тем характерной особенностью реального кристалла является наличие в нем и таких нарушений периодичности решетки, которые соизмеримы с размерами самого кристалла. Это – протяженные дефекты, которые можно разделить на линейные, поверхностные и объемные. При этом под линейными дефектами подразумевают такие отклонения от идеального кристалла, которые локализованы вдоль определенной линии. Поэтому их часто называют одномерными. Чаще всего линейные дефекты возникают при обрыве или смещении кристаллографических плоскостей. По этой причине их называют дислокациями (от лат. Dislocatio – смещение). Таким образом, дислокации – это линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Если же пространственное расположение решетки может быть очерчено поверхностью, разделяющей, например, две неискаженные области кристалла, то такой дефект называется поверхностным. В отличие от поверхностных (одномерных) дефектов он является двумерным. Типичными примерами такого рода протяженных дефектов являются границы между отдельными зернами поликристалла – границы зерен, дефекты, упаковки, двойники, а также поверхности, разделяющие кристалл при возникновении в нем кристаллографических сдвигов. Примерами объемного (трехмерного) дефекта является пора.

Протяженные дефекты оказывают существенное влияние на свойства кристаллографических материалов. Это стало причиной их усиленного изучения. Особенно большое развитие получило учение о линейных дефектах – дислокации, что связано с их влиянием на такие важные свойства, как прочность и пластичность материала.

Менее изученным пока остается влияние дислокаций на формирование структурно-чувствительных свойств. Поэтому, давая краткую характеристику этому виду протяженных дефектов, мы будем обращать внимание на эти свойства.

2.10.9. Дислокации

Обрыв или смещение атомных плоскостей, образующие дислокации, чаще всего связаны с механическими или тепловыми взаимодействиями на кристалл. Случайный характер, возникающих при этом в кристалле напряжений приводит к тому, что направление сдвига и линии, вдоль которых он проходит, могут быть различными. Обычно различают два предельных случая. Если возникающая при этом деформация кристаллической решетки такова, что край оборванной (сдвинутой) плоскости оказывается перпендикулярным направлению сдвига, мы имеем дело с краевой дислокацией. Если же направление сдвига совпадает с направлением дислокации, а деформация решетки приобретает винтообразный характер – с винтовой.

В реальном кристалле наряду с ними существуют смешанные дислокации, содержащие в себе компоненты как краевой, так и винтовой дислокации.

Чтобы охарактеризовать искажение решетки, связанное с дислокацией, нужно прежде всего иметь информацию:

а) о величине сдвига;

б) о его направлении.

Такую информацию несет в себе вектор Бюргера. Для уяснения смысла этого понятия выберем на одной из атомных плоскостей кристалла два участка, один из которых является неискаженным, а другой содержит одну круговую дислокацию. Далее, следуя Бюргеру, оконтурим их (Рис.2.10.1.). С этой целью, начав с узла S, сделаем по четыре шага: вправо, вниз, влево и вверх. При такой трансляции в неискаженном кристалле контур замкнется, а в искаженном окажется разомкнутым: как видно из рисунка, для его завершения не хватило еще одного шага, равного расстоянию между двумя соседними узлами решетки (точки F и S). Такая нехватка («невязка» контура) явилась следствием того, что в одной из сторон фигуры, очерченной контуром, оказалось на один узел больше, чем в остальных ее сторонах: если в трех из них n узлов, то в четвертой n+1

Рис.2.10.1. Контур и вектор Бюргерса

Очевидно, что «невязка» контура Бюргера, вызванная наличием дислокации, может быть использована в качестве меры искажения решетки. Она показывает ее величину.

В данном случае эта величина близка к величине параметра решетки (точного равенства между ними нет из-за локального искажения связанного с дислокацией).

При исследовании дислокации иногда трудно установить, каким было изначальное направление усилия, приведшего к ее возникновению. Поэтому для описания дислокаций их исследователи условились пользоваться правилом, которое в западной литературе обозначает FS/RH (от начальных букв: finish, start, right hand – финиш, старт, правая рука). Следуя именно этому правилу, проведем контур Бюргера на Рис. 2.10.1. Отрезок же между узлами F и S и представляет собой вектор Бюргера, показывающий направление и величину сдвига атомной плоскости. Таким образом, вектор Бюргера представляет собой меру искажения решетки, связанного с наличием дислокации, в качестве единицы измерения которого используется величина параметра решетки.

В случае винтовой дислокации характеристикой сдвига является шаг винта, в качестве меры которого также используется параметр решетки.

В отечественной литературе для определения направления сдвига атомных плоскостей часто используют правило винта: КНПВ (конец, начало, по правому винту).

Оба правила идентичны и условны, ибо для того, чтобы пользоваться любым из них, необходимо предварительно приписать линии дислокации некое направление, связанное с точкой ее наблюдения. Принято считать, что линия дислокации, изображенная на Рис. 1, уходит от наблюдателя за плоскость чертежа. Очевидно, что если бы эта же дислокация наблюдалась с другой стороны, знак вектора бюргера, найденный с помощью одного из указанных выше правил, изменился бы на обратный.

Часто в литературе – опять-таки условно – дислокации, уходящие за плоскость чертежа, называют положительными и обозначают значком , а дислокации, имеющие обратное направление, - отрицательными, обозначают значком . В этих значках вертикальная линия символизирует сдвинутую (оборванную) плоскость, а горизонтальная – ту плоскость, в которой возникло усилие сдвига (плоскость сдвига). На рис.2.10.2. показаны оба вида дислокаций.

Для данной дислокации направление сдвига атомных плоскостей, определяемое вектором Бюргера, всегда постоянно вдоль всей линии дислокации и не зависит от того, какой вид имеет эта линия – прямая или кривая. Это важнейшее свойство, известное как принцип сохранения вектора Бюргера, отчетливо проявляется при соблюдении сформулированных выше требований – фиксирование направления дислокации и правил их оконтуривания.

Чтобы убедиться в этом, достаточно мысленно пройти вдоль всей линии дислокации по заданному направлению, перемещая впереди себя контур Бюргера. Вектор Бюргера при этом действительно окажется постоянным, поскольку контур Бюргера сохраняет свой вид на всем пути следования.

 

а б

Рис.2.10.2. Положительная (а) и отрицательная (б) краевые дислокации

2.10.10. Энергия образования дислокаций

Возникновение любых дефектов в кристалле связано с изменением запаса его энергии. Образование элементарного точечного дефекта требует затраты энергии на перевод частицы из узла в междоузлие. Установили, что такой переход осуществляется самопроизвольно за счет тепловых флуктуаций в колебании решетки, источником которых в конечном счете является теплота, поступающая в кристалл из окружающей его среды.

Сдвиг же атомной плоскости, приводящий к образованию дислокации, означает перемещение множества частиц – по крайней мере, одного ряда атомов – с одной кристаллографической плоскости на другую. Естественно, что для теплового перемещения требуется значительно большее энергетическое усилие.

Допустим, что необходимая для этой цели энергия равна ЕД. Может ли она накопиться в кристалле за счет тепловых флуктуаций?

При тепловом разупорядочении общий тепловой запас энергии в кристалле увеличивается и, если энергия, необходимая для перевода из узла решетки одной частицы составляет , то прирост можно представить как

(2.10.12.)

Очевидно, что условие делает такой путь образования дислокаций вероятным. Его можно представить как результат упорядочения вакансий (рис. 2.10.3.). А так как упорядочение дефектов сопровождается высвобождением некоторого количества запасенной энергии, то это должно обеспечить самопроизвольное протекание этого процесса.

И все же вероятность его крайне мала по сравнению с другими процессами, приводящими к возникновению дислокации. Эти процессы обусловлены большими напряжениями, возникающими в кристалле при таких чисто внешних и практически почти всегда неизбежных воздействиях как на кристалл, как механическая, тепловая обработка и т. д. возникающие при этом искажения решетки оказываются необработанными, что носит принципиальную разницу между точечными и протяженными дефектами: в то время как первые теплодинамически обратимые, вторые – нет.

а б