Дефекты кристаллического строения металлов

Новиков И.И.

Металлургия, 1975 г.

§ I. ВИДЫ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ Простейшие точечные дефекты — вакансии, межузельные атомы, примесные атомы внедрения и примесные атомы замещения. Вакансии, или «дырки», представляют собой узлы решетки, в которых отсутствуют атомы. Примесные атомы внедрения находятся в междоузлиях решетки, образуя раствор внедрения. Поэтому целесообразно, для большей определенности, межузельные атомы основного металла не называть атомами внедрения, под которыми будем подразумевать только чужеродные атомы, находящиеся между узлами решетки. Примесные атомы замещения находятся в узлах решетки, занимая места атомов основного металла, т.е. образуя раствор замещения. Вакансии и атомы замещения могут находиться в любых узлах решетки. Межузельные атомы и примесные атомы внедрения располагаются не в любом междоузлии, а преимущественно в таких местах (пустотах), где для них имеется больше свободного пространства. Размеры и расположение этих пустот можно определить, если рассматривать атомы как жесткие сферы. Гранецентрированная кубическая решетка представляет собой один из вариантов плотнейшей упаковки шаров (атомов) одинакового размера, при которой каждый шар третьего слоя расположен над лунками первого слоя (АВСАВС…). Коэффициент компактности такой упаковки (отношение объема, занятого шарами, ко всему объему упаковки) равен 0,7405. Следовательно, немногим более 4 1 пространства, занятого кристаллом, приходится на пустоты между шарами. Эти пустоты относятся к двум типам. Одни пустоты расположены между четырьмя соприкасающимися шарами (в лунке, образованной тремя шарами одного слоя, находится шар следующего слоя, лунка как бы прикрыта шаром). Центры этих четырех шаров образуют тетраэдр. Поэтому пустота называется тетраэдрической (рис. 1). В тетраэдрическую пустоту можно вписать сферу радиусом 0,22r, где r — радиусатомов (шаров) в узлах решетки. На рис. 2 расположение тетраэдрических пустот показано крестиками, находящимися на пространственных диагоналях куба па расстоянии одной четверти диагонали от вершины элементарной ячейки. § 11. ПЕРЕПОЛЗАНИЕ КРАЕВОЙ ДИСЛОКАЦИИ В предыдущем параграфе было рассмотрено перемещение краевой ДИСЛОКАЦИИ в своей плоскости скольжения. Ниже обсуждается перемещение ДИСЛОКАЦИИ перпендикулярно плоскости скольжения. При перемещении по нормали к плоскостискольжения краевая дислокация попадает в новые атомные плоскости, параллельные той, в которой она ранее находилась. Механизм такого перемещения, называемого переползанием, принципиально отличается от механизма скольжения. Рассмотрим перемещение положительной краевой дислокации, показанной на рис. 22, из своей плоскостискольжения в вышележащую соседнюю плоскость. Для этого необходимо, чтобы цепочка атомов на самой кромкеэкстраплоскости отделилась от экстраплоскости и ушла в глубь кристалла. Такое «растворение» кромкиэкстраплоскости (положительное переползание) является диффузионным процессом. Здесь возможны два варианта: 1) при подходе вакансий к краевой ДИСЛОКАЦИИатомы с кромкиэкстраплоскости перемещаются в соседние вакантные места и 2) атомы с кромкипереходят в соседние междоузлия и диффундируют от дислокации. Первый вариант более вероятен, если учесть, что в металле часто появляется избыточная концентрациявакансий (в результате закалки, пластической деформации, облучения), а энергия образования межузельных атомов относительно велика. Перемещение положительной ДИСЛОКАЦИИ вниз в соседнюю плоскостьскольжения означает, что к краю экстраплоскости присоединился один атомный ряд. Такая достройка экстраплоскости (отрицательное переползание) может проходить двумя путями: 1) присоединением межузельных атомов, диффундирующих к дислокации, и 2) присоединением соседних атомов, находящихся в регулярных положениях, с одновременным образованием вакансий, которые затем мигрируют в глубь кристалла. Таким образом, перемещение краевой ДИСЛОКАЦИИ по нормали к своей плоскостискольжения осуществляется путем диффузионного перемещения атомов (к ДИСЛОКАЦИИ или от нее), и именно этим оно принципиально отличается от скользящего движения дислокации. В отличие от скольжения — консервативного движения, не связанного с переносом массы, переползание — неконсервативное движение происходит путем переноса массы. Диффузия — термически активируемый процесс, и, следовательно, переползание также термически активируемый процесс, скорость которого сильно зависит от температуры. В то время как скольжениеДИСЛОКАЦИИ легко протекает при любых температурах (вплоть до абсолютного нуля), переползание происходит с заметной скоростью лишь при сравнительно высоких температурах. скорость переползания зависит не только от температуры, но и от концентрации точечных дефектов, направленное перемещение которых по существу и обеспечивает акт переползания. Переползание ДИСЛОКАЦИИ вызывает деформацию кристаллов. Когда атомы уходят с кромки экстраплоскости, происходит местное сжатие, а когда «осаждаются» на этой кромке, — местное растяжение кристалла. «Прорастание» экстраплоскости внутрь кристалла (перемещение положительной ДИСЛОКАЦИИ вниз или отрицательной вверх) приводит к изгибу кристалла. Приложенные сжимающие напряжения стремятся уменьшить экстраплоскость, а растягивающие способствуют ее росту. Выше рассматривались идеализированные случаи отделения цепочки атомов вдоль всей кромкиэкстраплоскости или присоединения ряда атомов к экстраплоскости одновременно по всей ее длине, в результате чето дислокацияцеликом и одновременно переползает в соседнюю параллельную плоскость скольжения. В действительности же перенос массы к кромкеэкстраплоскости или от нее происходит путем миграции отдельных вакансий (межузельных атомов) или небольших их комплексов, и дислокация переползает в новую плоскостьскольжения не одновременно по всей своей длине, а по частям (рис. 28, а, б). Например, когда комплексвакансий «осядет» на кромке экстраплоскости, здесь образуются две ступеньки (пороги) ДИСЛОКАЦИИ (рис. 28, а). Такой процесс образования порогов — термически активируемый4. В условиях термодинамического равновесия при данной температуре Т числопорогов на единице длины ДИСЛОКАЦИИ n = n0 exp(- EjkT)) где Еп — энергия образования порога (1 эВ дли порога высотой в одно межатомное расстояние); п0 — числоатомов на единице длины дислокации. В гл. V рассматривается другой способ образования порогов, не связанный с термической активацией § 12. ВИНТОВАЯ дислокация Понятие о винтовой ДИСЛОКАЦИИ в физику твердого тела ввел в 1939 г. Бюргерс. Сделаем в кристалленадрез по плоскости ABCD (рис. 29, а) и сдвинем правую (переднюю) часть кристалла вниз, на один период решетки (рис. 29, б). Образовавшаяся при таком сдвиге ступенька на верхней грани не проходит через всю ширину кристалла, оканчиваясь в точке В. Простая кубическая решетка в рассматриваемом случае выглядит так, как показано на рис. 30. У переднего края кристалла (вблизи точки А) сдвиг произошел ровно на один период решетки так, что верхняя атомнаяплоскость справа от точки A сливается в единое целое со второй сверху плоскостью слева от точки А. Так как надрез ABCD дошел только до середины кристалла, то правая часть кристалла не может целиком сдвинуться по отношению к левой на один период решетки. Дислокация, как и резьба винта, может быть правой или левой. На рис. 29 и 30 изображены кристаллы с правой винтовой дислокацией: линиюДИСЛОКАЦИИ от верхнего горизонта к нижнему следует обходить по спирали по часовой стрелке. Если же на рис. 29, а сдвинуть вниз по плоскости ABCD левую часть кристалла, то образуется левая винтовая дислокация ВС, которую обойти по спирали с верхнего горизонта на нижний можно только против часовой стрелки. Правую дислокацию нельзя превратить в левую простым переворачиванием кристалла (рисунка), как это можно было сделать для превращения положительной краевой ДИСЛОКАЦИИ в отрицательную. Правая дислокация превращается в левую (и наоборот) зеркальным отражением. В отличие от краевой дислокации, которая, всегда перпендикулярна вектору сдвига, винтовая дислокация параллельна векторусдвига (ср. рис. 29 и 30 с рис. 21 и 22). Другое принципиальное отличие винтовой ДИСЛОКАЦИИ от краевой состоит в следующем. Краевая дислокация в определенной кристаллографической плоскости может быть образована сдвигом только по этой плоскости (см. рис. 22). Винтовая же дислокация может образоваться при сдвиге по любой кристаллографической плоскости, содержащей линию дислокации, по любой поверхности, оканчивающейся на этой линии. Если на рис. 29, а сделать надрез по плоскости, находящейся под любым углом к, ABCD, но так, чтобы .этот надрез оканчивался в кристалле на линии ВС, то после сдвига мы получим ту же винтовую дислокацию ВС. Таким образом, винтовая дислокация в отличие от краевой не определяет однозначно плоскость сдвига. § 13. скольжение ВИНТОВОЙ ДИСЛОКАЦИИСхема атомного механизма перемещения винтовой ДИСЛОКАЦИИ показана на рис. 32. Расположение атомов, соединенных сплошными линиями на рис. 32, а, такое же, как и на рис. 31, а. плоскостьскольжения ABCD совпадает с плоскостью чертежа; черные кружки обозначают атомы под плоскостью чертежа, а белые — над ней. Верхняя стрелка обозначает сдвигающие напряжения, действующие на ту часть кристалла, которая находится над плоскостью чертежа, а нижняя стрелка - напряжения, действующие