Порошковое материаловедение. Часть 1. Основы теоретического материало

Положительное переползание осуществляется в результате диффузии вакансий к А или оттока межузельных атомов от А, а отрицательное переползание происходит при обратном процессе, т.е. при диффузии межузельных атомов к А или оттоке вакансий от А.

Эти процессы возможны при диффузии, в противном случае будет происходить образование межузельных атомов или вакансий.

Таким образом, в любом случае для переползания дислокации необходима энергия активации и дислокации в процессе переползания можно рассматривать как источник или сток вакансий или межузельных атомов.

При нормальных напряжениях, которые перпендикулярны плоскости скольжения, и низкой температуре переползание дислокаций энергетически маловероятно. Для большинства металлов оно имеет место только при повышенных температурах.

Рассмотренный выше случай переползания дислокации является идеализированным. В действительности же перенос массы к кромке экстраплоскости или от нее происходит путем миграции отдельных вакансий (межузельных атомов) или небольших их комплексов, что приводит к образованию порогов (рис. 23). Дислокация переползает не одновременно по всей своей длине, а по частям.

Таким образом, образование порогов может происходить не только в результате пересечения дислокаций, но и в результате термически активируемого процесса.

При температуре Т на единице длины дислокации может быть определенное количество термодинамически равновесных порогов:

31

где UП – энергия образования порога (1 эВ для порога высотой

водно межатомное расстояние);

П0 – число атомов на единице длины дислокации.

Энергия активации переползания при термодинамическом равновесии

где UД – энергия активации самодиффузии.

При наличии на дислокации большого числа порогов, которые могут быть получены закалкой, облучением или пластической деформацией,

т.е. энергия активации, необходимая для переползания, равна энергии самодиффузии.

2.2.4. Винтовая дислокация

Понятие о винтовой дислокации ввел в 1939 г. Бюргерс. Сделаем в кристалле надрез по плоскости ABCD и сдвинем правую часть кристалла вниз. Образовавшаяся при этом ступенька не проходит через всю ширину кристалла, оканчиваясь в точке B (рис. 24). Величина смещения верхней части по отношению к нижней уменьшается от точки A к точке В. Таким образом, кристалл, содержащий винтовую дислокацию, можно представить как бы состоящим из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой лестницы, поэтому такая дислокация и получила название винтовой (см. рис. 24).

Различают винтовые дислокации правого и левого вращения. Дислокация называется дислокацией правого вращения, если для перемещения на одну ступеньку необходимо вращение по часовой стрелке (если смотреть на дислокацию сверху

32

вниз), в противном случае мы имеем дело с дислокацией левого вращения.

Рис. 24. Сдвиг, создавший винтовую дислокацию: а– кристалл до сдвига надрезан по ABCD; б– кристалл после сдвига; ABCD – зона сдвига

В отличие от краевой дислокации, которая всегда перпендикулярна вектору сдвига, винтовая дислокация параллельна вектору сдвига. Она может образовываться при сдвиге по любой кристаллографической плоскости, содержащей линию дислокаций, по любой поверхности, оканчивающейся на этой линии.

Движение винтовой дислокации. Винтовые дислокации могут двигаться только скольжением. При перемещении дислокации на один период решетки в результате передвижений атомов, происходящих только в области несовершенства, атомы вне области несовершенства остаются на своих местах. В области ядра винтовой дислокации атомы смещаются в направлении действующих на них сил, а сама дислокация передвигается перпендикулярно этому направлению. Винтовая дислокация в отличие от краевой может переходить из одной атомной плоскости в другую без переноса массы – скольжением. Она легко переходит в другую плоскость скольжения, находящуюся под углом к первоначальной плоскости скольжения. Этот процесс называют поперечным скольжением. Пройдя некоторый путь в плоскости поперечного скольжения и уда-

33

лившись от барьера, винтовая дислокация может перейти в атомную плоскость, параллельную первоначальной плоскости скольжения. Этот процесс называют двойным поперечным скольжением.

Вектор Бюргерса – главная количественная характеристика дислокации. Он является мерой искаженности кристаллической решетки, обусловленной присутствием в ней дислокации.

Если дислокация вводится в кристалл чистым сдвигом, то вектор сдвига определяет величину и направление смещения атомов в той области, где сдвиг произошел, т.е. определяет степень искаженности решетки. Этот вектор обозначается сим-

волом b. Но не все типы дислокаций можно определить через вектор сдвига. Поэтому наиболее общим является определение вектора Бюргерса не как вектора сдвига, а как меры искаженности кристаллической решетки. Чтобы оценить степень искаженности решетки, вызванной дислокацией, рассмотрим две кристаллических решетки: реальную, содержащую дислокацию, и идеальную решетку без каких-либо дефектов. В этом случае замкнутый контур произвольной формы, который построен в реальном кристалле путем последовательного обхода дефекта от атома к атому, не выходя из совершенной области кристалла, называется контуром Бюргерса (рис. 25, а). Если этот же путь проделать в кристалле, свободном от дислокаций, то окажется, что контур будет разомкнутым (рис. 25, б). Вектор

b , проведенный из точки E к A и замыкающий контур, явля-

ется вектором Бюргерса. Разомкнутость контура А В С D Е в совершенном кристалле обусловлена тем, что в кристалле с дислокацией из-за экстраплоскости на стороне ВС на один атом больше, чем на стороне DA.

Поскольку вектор Бюргерса – количественная характеристика дислокации, необходимо уметь обозначить его так, чтобы запись его отражала направление и величину вектора.

34

Плотность дислокаций. Плотность дислокаций – это суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема

кристалла. Плотность дислокаций обычно измеряется в см 2 ,

а в системе СИ – в м 2. Плотность дислокаций – важнейшая техническая характеристика качества кристалла. В кристаллах, выращенных методом кристаллизации из расплава, она состав-

ляет 104 –106 см 2.

Отжигом можно понизить эту плотность до103 –104 см 2. В результате пластической деформации плот-

ность дислокаций быстро возрастает и достигает 1011 см 2.

2.2.6. Дислокации в типичных металлических структурах

Краевая и винтовая дислокации рассматривались в простой кубической решетке, в которой атомы находятся только в вершинах элементарной кубической ячейки. Вектор Бюргерса такой дислокации является одним из трансляционных векторов решетки, характеризующих тождественную трансляцию – перенос решетки таким образом, что конечное ее положение нельзя отличить от начального.

Дислокации в простой кубической решетке, имеющие векторы Бюргерса a 100 , a 110 , a 111 , называются

единичными, или дислокациями единичной мощности. Единичные дислокации обеспечивают при пробеге через кристалл тождественную трансляцию решетки. Такие дислокации называют полными.

В ГЦК, ОЦК и ГП-решетках существуют дислокации

стакими векторами Бюргерса, перемещение которых не приводит к тождественной трансляции в зоне сдвига. Дислокации

свектором Бюргерса, не являющимся вектором тождественной трансляции, называют неполными или частичными. Каждый

36

тип кристаллической структуры характеризуется своими единичными и частичными дислокациями. В кристалле возможны различные дислокационные реакции, при которых полная дислокация может расщепляться (диссоциировать) на частичные

b1 b2 b3 , частичные дислокации могут объединяться в полную b1 b2 b3 . Полная и частичная дислокации могут давать частичную дислокацию b1 b2 b3 . Разнообразные

дислокационные реакции подчиняются критерию Франка: реакция возможна в том случае, если сумма квадратов векторов Бюргерса исходных дислокаций больше суммы квадратов векторов Бюргерса дислокаций, являющихся результатом реакций.

Полные дислокации в ГЦК-решетке. Элементарная ячейка ГЦК-решетки представлена на рис. 26. Плоскостью плотнейшей упаковки является

плоскость октаэдра 111 , а на-

трансляции является вектор b2 a [010]. Он может делиться на

37

Геометрию образования краевой единичной дислокации

понять, используя схему на рис. 27. На левой стороне рис. 27 сдвига не было, а правая сторона демонстрирует то же чередование плоскостей ABC, но только после сдвига части верхнего слоя атомов С слева направо на величину единичного вектора

ку s . В результате обнажились ряды атомов в положениях А и В из нижнего и среднего слоев. Эти атомы находятся в вер-

меньшим вектором тождественной трансляции является вектор b1 a2 111 . В металлах с ОЦК-решеткой скольжение идет

38

по плоскостям {110} и {112} в направлениях наиболее плотной упаковки атомов <111>.

Рассмотрим единичную винтовую дислокацию с вектором a2 [111] в плоскости (112). В левой части рис. 29 три слоя чере-

Рис. 28. Элементарные ячейки ОЦК-решетки: а – стрелки – векторы Бюргерса единичных дислокаций; б – пунктирный треугольник – плоскость скольжения (112)

Рис. 29. Единичная винтовая дислокация в плоскости (112) ОЦК-решетки: 1 (●) – атомы нижнего, 2 (+) – среднего и 3 (○) – верхнего слоя соответственно

39

дуются в области, не охваченной сдвигом. В правой части рисунка атомы верхнего слоя смещены на величину единичного

линия параллельна вектору сдвига и, следовательно, она винтовая.

Полные дислокации в ГП-решетке. Элементарная ячей-

ка представлена на рис. 30. Единичные векторы тождественной трансляции: b1, b2 и b3.

Рис. 30. Элементарная ячейка ГП-решет- ки с векторами Бюргерса единичных дислокаций

Плоскостью плотнейшей упаковки является плоскость базиса 0001 , направлением плотнейшей упаковки 12 10 .

40