Дислокации

Рассмотрим резиновый цилиндр . Разрежем его вдоль плоскости S, сместим края разреза и склеим. Линию ОО', отделяющую область, где сдвиг произошёл, от области, где сдвига не произошло, называют дислокацией (рис.2.3).

Аналогичные дефекты могут существовать и в кристаллах. В отличие от классической упругой среды, где относительные смещения края разреза могут быть любыми, в кристаллах дискретность структуры и анизотропия накладывают ограничения на характер возможных смещений . Допускаются только такие смещения, которые соответствуют свойствам кристаллической решётки.

Рассмотрим дислокацию ОО', которая возникает в результате сдвига части кристалла на одно межатомное расстояние (рис.2.4). Покажем расположение атомов в плоскости, перпендикулярной линии дислокации. На n атомных плоскостей, расположенных ниже плоскости скольжения, приходится n+1 плоскостей выше плоскости скольжения .

Дислокация ОО', представляющая собой часть край лишней полуплоскости MNO'O, называется краевой. Краевая дислокация перпендикулярна вектору сдвига. Можно представить, как образуется краевая дислокация, если вставить дополнительную плоскость MNO'O между плоскостями идеального кристалла.

Винтовая дислокация показана на рисунке 2.5. Линия дислокации ОО', отделяющая область, где сдвиг произошёл, от области, где сдвига нет, здесь не перпендикулярна, а параллельна вектору сдвига. Кристалл в этом случае можно представить состоящим из одной атомной плоскости, закрученной вокруг дислокации ОО', как винтовая лестница (рис.2.5) .

Рассмотрим случай, когда зона сдвига ограничена внутри кристалла не прямой линией, а произвольной кривой. Линия ОО' - криволинейная дислокация. В точке О дислокация параллельна вектору сдвига (рис.2.6.) и, следовательно, имеет винтовой характер. В точке О' линия дислокации перпендикулярна вектору сдвига, т.е., имеет краевую ориентацию, такие дислокации называются смешанными.

Для обозначения дислокации применяют символ "". В случае краевой дислокации "ножка" этого символа направлена в сторону расположения избыточного материала.

2.5.Контур и вектор Бюргерса

Одной из важнейших характеристик дислокации является вектор смещения - вектор Бюргерса . Рассмотрим две кристаллические решётки- одну реальную, другую- идеальную, не содержащую дефектов и искажений (рис.2.7) . Если искажения в данном кристалле вызваны только упругими деформациями, тепловыми колебаниями атомов и т.д., то, несмотря на нарушения структуры, можно безошибочно сказать, к каким узлам решётки идеального кристалла относятся соответствующие атомы реального кристалла. Любую область реального кристалла, где можно установить взаимно однозначные соответствия с идеальным кристаллом, называют областью хорошего кристалла. Участки, где такое соответствие установить нельзя, называют областью плохого кристалла.

Контуром Бюргерса называют замкнутый контур произвольной формы, построенный в реальном кристалле так, что, переходя последовательно от атома к атому, не выходят из области хорошего кристалла. Устанавливая взаимно однозначные соответствия между точками контура в реальном кристалле и соответствующими точками в идеальном кристалле, мы можем построить аналогичный контур в идеальной решётке. Если в реальном кристалле контур проведён вокруг дислокации, то соответствующий контур в реальном кристалле окажется разомкнутым. Чтобы замкнуть этот контур, его необходимо дополнить вектором , называется вектором Бюргерса. Направление вектора Бюргерса определяется следующими условиями:

1) Если положительное направление дислокации выбрано произвольно, то обход контура Бюргерса определяется по правилу правого винта.

2) Вектор Бюргерса направлен от конечной точки "В" к начальной точке "А". На рисунке 4 за положительное направление принято направление единичного вектора , касательного к линии дислокации и направленного за плоскость листа.

Дислокация является границей области пластического сдвига в кристалле, поэтому вектор Бюргерса – это вектор сдвига. Вектор Бюргерса краевой дислокации перпендикулярен линии дислокации, а винтовой - параллелен линии дислокации.

Движение дислокации в кристалле может осуществляться двумя способами: скольжением и переползанием.

В первом случае вектор лежит в плоскости перемещения дислокации, плоскость движения называется плоскостью скольжения. Движение осуществляется за счёт небольшой перестройки атомов вблизи линии дислокации (в плохом материале). Скольжение не сопровождается переносом массы.

Во втором случае вектор не лежит в плоскости перемещения дислокации, и движущаяся дислокация оставляет за собой либо вакансии, либо междоузельные атомы. Такое движение дислокации обязательно сопровождается переносом вещества в этой плоскости за счёт диффузии атомов и называется переползанием, т.к. при движении дислокация переползает из своей истиной плоскости скольжения.

Внутри кристалла есть источники дислокаций. Рассмотрим механизм Франка-Рида размножения дислокаций (рис.2.8). Линия АВ - это краевая дислокация с закреплёнными концами. Отрезок АВ, расположенный в плоскости скольжения, является источником неограниченного числа дислокаций. Под действием внешнего напряжения τ дислокация начинает выгибаться в плоское скольжение и занимает положение 1 (если бы концы отрезка были свободными, то дислокация стала бы двигаться путём

скольжения).

Постепенное выгибание дислокации может происходить лишь при непрерывно возрастающем напряжения τ, которое достигает максимального значения в момент, когда дислокации принимает форму полуокружности. Это напряжение - критическое. При τ > τ_кр конфигурация становится нестабильной, и дислокация самопроизвольно расширяется, занимая положения 2,3,4, и разделяется на две - внешнюю и внутреннюю. Внешняя дислокация разрастается до поверхности кристалла, а внутренняя занимает исходное состояние. Образование новых дислокаций продолжается до тех пор, пока приложено напряжение.

2.6.Дефекты упаковки и частичные дислокации

Дефекты упаковки, границы зёрен и двойников, границы доменов, поверхность кристалла относятся к двухмерным дефектам.

Дефекты упаковки связаны с частичными или неполными дислокациями. Дислокации, рассмотренные выше, называют совершенными, полными или единичными.

Образовать частичную дислокацию можно, сделав разрез в кристалле по поверхности кристалла, сместив края разреза на вектор . Если вектор меньше постоянной решётки (расстояния между узлами решётки), то наблюдается несовпадение решёток по обе стороны поверхности надреза. Край поверхности несовпадения называют частичной дислокацией ( при образовании единичной дислокации решётки с обеих сторон совпадают). Частичные дислокации имеют место в плотно упакованных кристаллах.

Рассмотрим гранецентрированную кубическую решётку (ГЦК, рис. 2.9). Её структуру можно представить как серию плотно упакованных плоскостей, уложенных друг на друга. Это плоскости (1, 1, 1) на рис.6 . Пусть А, В, С, D, Е… - атомы, лежащие в параллельных плоскостях (1,1,1). В проекции на одну из плоскостей (1,1,1) атомы D совпадут с атомами А, атомы Е- с атомами В и т.д., т.е. всю последовательность плотно упакованных плоскостей можно записать так: АВСАВС… .

Если произвести сдвиг верхнего слоя атомов в одной из плоскостей (1,1,1) на расстояние АА, то атомы вышележащей плоскости попадут из лунки А снова в лунку А; т.е. после смещения структура вдоль плоскости скольжения восстанавливается.

Если же произвести сдвиг верхней плоскости на b₂ или b₃, то атомы из лунки А попадут в лунку С или из С в А (рис.2.10). При этом нарушается порядок чередования плоскостей (1,1,1). Вместо обычной последовательности АВСАВС… возникает последовательность …АВСАВАВСАВС… . Таким образом, в ГЦК- структуре возникает тонкая прослойка гексагональной плотной упаковки ГПУ. Это и есть дефект упаковки. Края дефекта упаковки представляют собой частичные дислокации.

В ГЦК - решётке дефекты упаковки можно образовать также, удалив только упакованный слой за счёт диффузии вакансий на этот слой, а затем сомкнуть соседние слои. Так, после удаления слоя В, последовательность будет …АВСАСАВС…; такой дефект называют дефектом упаковки вычитания.

Если в результате диффузии междоузельных атомов ввели лишний слой в промежуток между соседними слоями тогда, например, при введении слоя В сформируется установка …АВСВАВС… это дефект установки внедрения.

2.7. Границы зёрен

Поликристаллы состоят из большого числа мелких межкристаллических зёрен, разделённых некоторыми границами перехода, которые называют границами зёрен. Граница зерна представляет собой поверхность между двумя монокристаллами различной ориентации, которые примыкают друг к другу таким образом, что не происходит нарушения плотности вещества. Ширина области плохого материала на границе между зёрнами не превышает одного-двух межатомных расстояний.

Бюргерс высказал предположение, что границы зёрен с малым углом разориентировки состоят из совокупности дислокаций.

Границы зёрен оказывают существенное влияние на электропроводность кристаллов, оптические свойства и т.д. Наличие границ приводит к тому, что в поликристаллах коэффициент диффузии примесей значительно больше, чем в монокристаллах.