Дефекты упаковки и дислокационные петли

Наряду с перечисленными комплексами дефектов, в кристаллах могут образовываться и устойчиво существовать плоские скопления точечных дефектов весьма высокой кратности – насчитывающие единиц одного из четытрех видов – вакансий, МУА, обеденных зон и пор. Фактически они представляют собой отсутствие (или присутствие) в кристаллической решетке части одной плоскости. В том, и другом случае мы имеем дело с краями лишних плоскостей, т.е. дислокациями. Поэтому подобные дефекты так же относятся к дислокационным, но по сравнению с ранее рассмотренными простыми, такие дефекты более сложны как по структуре, так и по свойствам.

В схеме рис.3а отсутствует части плоскости А, что соответствует присутствию плоского комплекса вакансий. Подобное нарушение называют дефектом упаковки (ДУ) вакансионного типа, или ДУ вычитания. В противоположность ему на рис. 7 в присутствие лишней полуплоскости является ДУ внедрения – скопления межузельных атомов. Такие дефекты весьма распространенные нарушения кристаллического строения металлов. Они всегда связаны с дислокациями. С другой стороны, это – частичные дислокации. Параметры этих дефектов определяется конкретной кристаллографией металла. В ГЦК – структурах наиболее распространены два вида частичных дислокаций, названных именами, определивших их ученых: частичные дислокации Шокли и частичные дислокации Франка.

 

ДУ вакансионного типа ДУ межузельного типа

 

Рисунок 2.3. Образование дефектов упаковок

 

С понятием дефектов упаковки и частичных дислокаций связано представление еще об одном классе дефектов дислокационного типа – дислокационных петлях. Подобно ДУ, - дислокационные петли относятся к двухмерному или поверхностному классу. Характерная особенность дислокационных петель состоит в том, что они представляют собой замкнутую линию дислокации. Важный параметр дислокационных петель – это их диаметр. В этом плане выделяются два класса дислокационных петель. Для одного вектор Бюргерса лежит в плоскости петли, совпадающий при этом с плоскостью скопления. Для другого вектор Бюргерса не лежит в плоскости петли и поверхностью скольжения является цилиндр, полученный перемещением петли вдоль вектора Бюргерса. Петли второго класса называют призматическими. Подобно дефектам упаковки, дислокационные петли образуются либо из плоского скопления вакансий, либо из плоского скопления межузельных атомов. Соответственно их называют петлями вакансионного, либо межузельного типа. Тогда приток вакансии к петлям первого типа расширяют их размеры, а второго – сокращают. Уход вакансии от петель 1-го типа ведет к их сужению, а от петель межузельного типа – к росту.

Границы раздела

При непрерывном периодическом повторении элементарной ячейки со всеми узлами во всех направлениях без разрыва возникает так называемый монокристалл. Но такая ситуация является исключением из правил. В большинстве случаев металлы состоят из огромного количества монокристаллических зерен с линейными размерами на уровне от долей микрона до десятков микрон, но по разному ориентированных в пространстве. Такие кристаллы получили название поликристаллов. В результате важнейшие свойства материала сильно зависят и от размеров, и от степени раз ориентации, и от атомной структуры межзеренных границ. Границы зерен – это сложный дефект кристаллического строения, относящийся к двумерным или поверхностным дефектам. Для пояснения рассмотрим два примера (рис.2.4).

 

Рис. 2.4. Структура межзеренных границ

Схема 1 соответствует повороту одного зерна относительно другого вокруг оси, лежащей в плоскости границы. Область сопряжения двух кристаллов представляет собой набор краевых дислокаций. Во втором случае кристаллы повернуты друг относительно друга вокруг оси, перпендикулярной плоскости границы. Такие границы кручения образуют наборы винтовых дислокаций. Наклонные дислокации подразделяются на малоугловые и большеугловые.

Атомная структура межзеренных границ второго класса является более сложной. Информация об атомной структуре межзеренных границ важна по разным причинам. Одна из них обусловлена тем, что они являются эффективным стоком для точечных дефектов, а также тормозом для движущихся дислокаций. Соответствующей термо -, либо механической обработкой металлов можно изменить средние размеры зерен, а также создать преимущественную их ориентацию. В этом случае ее называют текстурой. Границы зерен представляет достаточно большой вид дефектов. Но наибольшим размером обладают внешняя поверхность металлов. Кроме того металл может содержать границы между различными твердыми фазами. Распространенным двумерным дефектом является двойниковая граница – симметричного зеркального смещения кристаллической решетки по одну сторону от границы раздела (рис.2.5).

 

Рис.2.5. Образование двойникования кристалла

 

Таким образом, поверхностные дефекты металлов – большой и очень важный класс нарушений. Знание их атомной структуры и свойств позволяет лучше понять многие важные свойства в практическом отношении и активно влиять на эти свойства, успешно использовать их при решении ряда задач техники и промышленности.

Образование и поведения дефектов при термическом воздействии

Независимо от вида, все металлические изделия содержат дефекты кристаллической структуры. Для поликристаллов это. прежде всего, границы зерен, а также вакансии и дислокации в объеме каждого зерна. Для монокристаллов это то, что содержат отдельные зерна поликристаллов. Причем чем больше по размерам монокристалл, тем больше вероятность образования в нем дефектов. Откуда же берутся дефекты? Ответ лежит на поверхности: в самый начальный момент образования кристалла. То есть дефекты кристаллической структуры металлов возникают одновременно с возникновением самой кристаллической структуры в процессе кристаллизации из жидкого состояния. Сам процесс кристаллизации зависит от многих причин – и от температуры кристаллизации, от скорости охлаждения, от состава, от среды, где металл затвердевает и т.д. Процесс кристаллизации-это фазовый переходвещества из одного состояния в другое, и этот процесс должен идти медленно. Для его начала необходимо, чтобы температура жидкого металла стала ниже температуры его плавления , т.е. нужно его переохладить на 0,1÷0,2 от В определенный момент в различных местах жидкого металла начинает самопроизвольно образования мельчайшие кристаллики. Они являются зародышами, на которых затем оседают новые и новые атомы металла. Этот процесс сопровождается выделением определенного количества тепла, так называемой скрытой теплоты кристаллизации. Если это тепло не отводить, металл будет постепенно нагреваться, в результате рост зародышей замедлится. Наступает термодинамическое равновесие при и рост зародышей прекратится.

Если же выделяющееся тепло отводить, т.е. температуру поддерживать на уровне , или снижать дальше, рост кристалликов – зародышей будет продолжаться до полного затвердевания жидкости. Каждый из зародышей превратится в отдельное зерно, стыки зерен образуют поверхностные дефекты – границы, а в объеме зерен будут присутствовать вакансии и их небольшие комплексы. Так получают поликристалл металла. Из-за неравномерного распределения температуры внутри жидкости образуются и дислокации. Такой процесс кристаллизации соответствует случаю гомогенного зарождения монокристалла.

Охлаждение жидкого металла с очень высокой скоростью приводит к образованию аморфных металлов. Причина этого состоит в том, что частицы жидкого металла не успевают дойти до зародышей, следовательно, они растут, но их количество возрастает. В результате фактической кристаллизации не происходит.

При необходимости вырастить большой монокристалл, в исходную жидкость вводят монокристаллический зародыш макроскопических размеров из того же металла, имеющий бездефектную поверхность. Температурный режим подбирают таким образом, чтобы избежать самопроизвольного образования других зародышей. В результате в процессе своего роста кристалл многократно повторяет поверхность зародыша. Если затравочный кристалл содержит на своей поверхности дефектную область, то растущий монокристалл также будет содержать дефект.

Существует другой режим термического воздействия на металл – закалка. Каждой температуре металла в условиях внутреннего термодинамического равновесия соответствует вполне определенная концентрация вакансий, называемая равновесной - Нагреем металл до температуры . Концентрация вакансии возрастает в нем до значения . Межузельные атомы в этот период, обладая высокой подвижностью, освобождая узлы решетки, движутся к поверхности и там оседают, т.е. поверхность металла для них является хорошим стоком. Неподвижные вакансии при комнатной температуре, начинают двигаться. Если металл охлаждать медленно, содержание вакансии вернется к исходному при в результате постепенного возвращения МУА в исходные положения. Если охлаждение металла проводить очень быстро, то малая доля атомов покинут поверхность и занять (заполнить) вакансии, остальные вакансии окажутся замороженными. Такие избыточные вакансии называются неравновесными. Описанный процесс называется закалкой металла.

 

Образование и поведение дефектов при деформации

Как известно, металлы работают в самых разнообразных областях и далеко в нестабильных условиях. Металлы подвергаются и химическому воздействию и тепловому, и радиационному. Все это ведет к изменению степени совершенства структуры, т.е. образованию и перераспределению в них различного рода дефектов. Среди всех причин образования, и особенно критического поведения дефектов металлах, деформация стоит на первом месте. В конечном счете, именно деформация ведет к разрушению металла. В тоже время нельзя утверждать, что деформация первична, а дефекты структуры – вторичны. Они взаимосвязаны: пластическая деформация не может происходить в отсутствие дислокаций, и в тоже время она является причиной их образования. Существует несколько предполагаемых механизмов образования и развития дислокаций. Рассмотрим один из них – наиболее приемлемый, т.н. механизм размножения дислокаций с помощью источника Франка – Рида (англ.физики). Этот механизм не только логичен и теоретически обоснован, но и подтвержден экспериментально. Пусть имеется отрезок дислокации АВ, лежащий в своей плоскости скольжения, то есть в точках А и В отрезок дислокации АВ закреплен.

Если кристаллу с такой дислокацией приложить внешнее механическое напряжение - τ с составляющей в плоскости скольжения, отрезок АВ начинает постепенно выгибаться, последовательно занимая позиции (б-г). В случае ситуации (д) соседние участки дислокации ав и cd соединятся и рекомбинируют. Участки аА и сВ сомкнутся в точках в и d, образовав новый, закрепленный в точках А и В отрезок дислокации в плоскости скольжения. Если внешнее напряжение продолжает действовать, с ним снова повторятся те же превращения и т.д. Образованные же дислокационные петли будут под действием тех же механических напряжений расширяться.

Разумеется, что точками закрепления дислокаций могут быть не только места их перегиба, но и дислокационные узлы, и атомы примесных элементов и т.п. Не обязательно круговую форму имеют и образуемые петли. Наконец, механизм Франко – Рида не является единственно возможным. В конечном итоге все они ведут к увеличению плотности дислокаций.

 

 

Рисунок 2.6. Механизм Франко-Рида

 

В находящемся под действием внешней нагрузки металла, на дислокации действуют определенные силы, способные обеспечить их движение. Процесс этот в равной степени относятся к дислокациям, присутствующим в металле до начала деформации, и к дислокациям, образуемым в процессе деформации. «Встреча» двух и более движущихся дислокаций может привести и к их торможению, и к образованию единичных точечных дефектов, и к их взаимному уничтожению. Эти процессы можно проиллюстрировать на рисунке 2.6.

Встречное движение двух краевых дислокаций разного знака в одной плоскости скольжения ведет к их аннигиляции (рис.-2.6.а). Если скольжение происходит в соседних плоскостях, встреча двух дислокаций разного знака завершается образованием межузельного атома (рис.-2.6.б). При условии, что краевые дислокации разного знака находятся на разных плоскостях, от стоящих на 2а (рис.-2.6.в), при встрече возникает вакансия. Наконец, движение дислокаций в двух пересекающихся плоскостях скольжения может привести к образованию трещин (рис.-2.6.г). В металлах, имеющих иные кристаллические структуры, могут реализоваться другие механизмы образования трещин.

Удаление дефектов

Термическое воздействие на металлы служит источником возникновения дефектов. Но оно же может способствовать и удалению дефектов, повышению степени совершенства кристаллической структуры металла. Такие операции называются отжигом. Как было отличено ранее, в металлах существует объем рекомбинации парных дефектов Френкеля. В пределах этого объема поля упругих напряжений вакансии и МУА обусловливает их взаимное притяжение и слияние, т.е. рекомбинацию. Этот процесс идет при любых температурах и от температуры совершенно не зависит. Однако возможно и термическое слияние точечных дефектов. Роль температуры сводится здесь к обеспечению подвижности дефектов, хотя возможность двигаться по кристаллу является общим из необходимых

условий рекомбинации вакансии и МУА, но не достаточным. Дело в том, что движущийся по решетке МУА может миновать расположенные вблизи его пути вакансии. Для объединения атома с вакансией, он должен попасть в сферу ее захвата, т.е. пройти на расстоянии , меньшем или равном радиусу сферы действия упругих напряжений. МУА гораздо легче объединяются с дислокационными петлями межузельного типа, труднее – с порами и петлями вакансионного типа. То же самое касается и мигрирующих единичных вакансий.

 

Рис. 2.7. Взаимодействия дислокаций

 

Они легко объединяются с порами и дислокационными петлями вакансионного типа. Это ведет к росту вакансионных пор и петель, что очень некстати. Исследование этого эффекта – т.е. разной способности захватывать МУА и вакансии порами и дислокационными петлями занимает важное место в радиационной физика твердого тела и радиационном материаловедении. Поняв его причины, можно будет научиться на него воздействовать, изменять и подавлять повреждаемость металлов, направлять МУА в поры и петли вакансионного типа, а вакансии в петли межузельные, постепенно уничтожая все вновь образуемые дефекты, обеспечить тем самым радиационную стойкость металлических конструкций. Пока этот процесс физиками освоен недостаточно, но определенный успех в данной области все же имеется.