Материал: Изменение свойств дислокаций при деформации металлов

При облучении металлов частицами с большой энергией атомы выбиваются из узлов решетки, в результате чего образуется френкелевская пара - межузельный атом и вакансия. Свободные поверхности, границы зерен и дислокации служат источникам вакансий, пока кристалл еще не насыщен ими. Если же кристалл пересыщен вакансиями, например при закалке, то эти источники могут действовать как стоки - места, куда мигрируют (стекают) вакансии и где они исчезают. Вакансия и межузельный атом могут аннигилировать при встрече. Но такая рекомбинация дефектов происходит крайне редко, так как очень мала концентрация межузельных атомов.

.       
Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами

3.1 Взаимодействие дислокаций с вакансиями

Поле напряжений краевой дислокации взаимодействует с полем упругих напряжений вакансии и межузельного атома. Межузельный атом притягивается к области гидростатического растяжения, а вакансия - к области гидростатического сжатия. Упругое взаимодействие вакансий с дислокациями слабее, чем межузельных атомов, вокруг которых деформация решетки больше.

Рис.3.1. Этапы объединения вакансий P с винтовой дислокацией AB в геликоидальную дислокацию A’B’

Вакансии и межузельные атомы, притянувшись к дислокации, могут аннигилировать на порогах. Результат взаимодействия краевой дислокации с примесными атомами принципиально отличен от результата ее взаимодействия с вакансиями и межузельными атомами основного металла. Если последние могут аннигилировать, то примесные атомы сохраняют свою индивидуальность, образуя атмосферы.

Если скорость подхода вакансий и межузельных атомов к дислокации больше скорости исчезновения их на порогах, то эти дефекты могут образовывать атмосферу вокруг линии дислокации типа коттрелловской примесной атмосферы.

Смешанные дислокации упруго взаимодействуют с межузельными атомами в соответствии с их краевой компонентой.

Вакансии могут притягиваться к дислокации любого типа, в том числе и к чисто винтовой. Объясняется это тем, что вакансия - пустое место и в ее присутствии упругая энергия дислокации локально уменьшается.

Притяжением вакансий к винтовой дислокации объясняют образование геликоидальных дислокаций, у которых линия дислокации закручена в весьма правильную спираль. Природа образования геликоидальной дислокации окончательно не выяснена. Геометрия превращения прямолинейной винтовой дислокации AB в геликоидальную A’B’ вследствие присоединения группы вакансий P показана на рис. 3.1.

Объемная концентрация электронов проводимости не может точно соответствовать тем отклонениям в плотности, которые имеются вокруг краевой дислокации, так как величина энергии Ферми должна оставаться везде одной и той же. Чтобы выполнялось это условие, возникают локальные нарушения электрической нейтральности - в уплотненной части решетки недостаток электронов приводит к появлению положительного заряда, а в области разрежения избыток электронов образует отрицательный заряд. Таким образом, распределение зарядов вдоль краевой дислокации весьма сходно с «линейным диполем». Такая система взаимодействует с точечными дефектами, которые могут рассматриваться как носители некоторого эффективного точечного заряда . Вследствие экранирующего действия электронов проводимости поле этого заряда быстро спадает с расстоянием. В металле дефект, несущий  зарядов электрона , отличается по величине заряда на  от заряда положительного иона (в одновалентном металле  для вакансии); однако эффективной в смысле электрического взаимодействия оказывается лишь небольшая часть этой разности. Коттрел и др. получили следующее количественное выражение для энергии электрического взаимодействия вакансии с краевой дислокацией в одновалентных благородных металлах:

эВ.

При перемещении по нормали к плоскости скольжения краевая дислокация попадает в новые атомные плоскости, параллельные той, в которой она ранее находилась. Механизм такого перемещения, называемого переползанием, принципиально отличается от механизма скольжения. Переползание связано с образованием слоев пор или избыточного материала, для чего требуется большая энергия. Поэтому перемещение дислокации путем переползания происходит значительно труднее, чем скольжение. Такое перемещение возможно только под действием очень больших напряжений и, кроме того, может очень медленно происходить за счет диффузии. Данные два случая будут рассмотрены ниже. Для простоты будем рассматривать только простые кристаллы с одним атомом на элементарную ячейку.

Переползание дислокации может протекать быстро, если работа, производимая при ее перемещении, по крайней мере, равна энергии, затрачиваемой на создание слоя пор или дополнительного слоя материала. Поскольку эта энергия велика, смещение подобного типа возможно только в особых условиях.

Если дислокационная линия , переползающая в направлении, перпендикулярном ее плоскости скольжения  (рис. 3.2), проходит площадь , то она оставляет за собой пустоту (или дополнительный слой материала) объемом

 (3.1)

где  - угол между и вектором Бюргерса .

Далее, если  - объем атома, то несовершенство кристалла, образующееся при переползании, можно рассматривать как совокупность атомных дефектов - вакансий или межузельных атомов, число которых равно

Рис. 3.2. Переползание произвольной дислокационной линии

 (3.2)

Атомная концентрация дефектов в плоскости переползания , равная , непрерывно уменьшается при переходе от краевой ориентации , когда образуется сплошной слой дефектов, к винтовой , когда дислокация скользит, не создавая никаких дефектов. Сила  (действующая на единицу длины дислокационной линии), необходимая для осуществления переползания, будет равна

 (3.3)

Предположим теперь, что сила , приложенная к дислокации, значительно меньше силы , необходимой для быстрого переползания. В таком случае возможно медленное движение за счет диффузии вакансий и междоузельных атомов в кристалле. Например, имеется определенная вероятность того, что ряд атомов вдоль линии  в плоскости  (рис. 3.2) будет полностью заменен вакансиями. При этом дислокация поднимется на расстояние  в плоскости . Если ряд содержит  атомов, вероятность такого события будет приблизительно равна  и, следовательно, ничтожно мала во всех случаях, кроме случая ступеньки, когда . Таким образом, дислокационная линия не может диффундировать как целое, а переползает атом за атомом вследствие перемещения ступеньки.

Линия  на рис. 3.2 переползает на одно межатомное расстояние в плоскости  при перемещении ступеньки от одного конца линии до другого. Если обозначить среднее расстояние между ступеньками через , то концентрация ступенек на дислокации равна , а средняя скорость переползания дислокационной линии будет равной

 (3.4)

где  - скорость перемещения ступенек вдоль дислокации. Таким образом, скорость переползания зависит от концентрации ступенек  и их скорости, т.е. от приложенной силы и скорости образования вакансий (или межузельных атомов), необходимых для диффузионного перемещения ступеньки.

3.3 Электрический заряд дислокаций. Дислокационные токи. Заряд дислокаций в ионных кристаллах, полупроводниках и металлах

Дислокация есть линия в атомной решётке, вдоль которой у каждого атома имеется одна оборванная связь, то на эту оборванную связь дислокация должна захватывать электроны из пространства кристалла и сама приобретать заряд. Таким образом, дислокация должна взаимодействовать с электронной подсистемой кристалла. Оказалось, что при пластической деформации, когда дислокации движутся, кристалл излучает свет, возникает люминесценция. Это связано с тем, что дислокация, проходя через локальный центр, забирает его электрон на себя как на линию. Электрон по линии переходит в какое-то другое место, где он рекомбинирует. Если во внешнюю цепь поставить измерительный прибор, то можно мерить ток. Получается, что вы деформируете кристалл, а во внешней цепи течёт ток. Такой ток получил название дислокационный.

В ионных кристаллах электрическое взаимодействие значительно сильнее, чем в металлах. Поскольку экранирования здесь нет, решетка вокруг дефекта поляризуется (диэлектрическая проницаемость имеет конечную величину). Более того, вдоль оси дислокации часто располагается цепочка пар ионов, что приводит к большой величине энергии связи и вместе с тем к слабому взаимодействию на больших расстояниях. Ступеньки на таких дислокациях могут нести эффективный заряд, равный половине заряда иона; это ведет к сильному притяжению или отталкиванию примесных атомов и точечных дефектов на больших расстояниях.

Еще сложнее условия в гомеополярных полупроводниках; помимо прочих факторов, эффект зависит здесь от концентрации носителей заряда и, следовательно, от содержания примеси и температуры. Вдоль оси дислокации (если только она не чисто винтовая) имеется, вообще говоря, цепочка непарных валентных электронов. В кремнии или германии n-типа они образуют отрицательный заряд, нейтрализуемый положительным пространственным зарядом в окружающей области, где концентрация электронов проводимости оказывается ниже своей средней величины. Заряженные дефекты, приходящие в эту область, должны сильно притягиваться (или отталкиваться) дислокацией. Поэтому электрическое взаимодействие приводит к появлению вокруг каждой дислокации облака точечных дефектов или атомов примеси, размеры которого могут достигать 10^-5 см. Вне этой области взаимодействие близко к нулю.

.4 Взаимодействие дислокаций с атомами внедрения и замещения. Сила стопора. Термоактивированное движение дислокаций в кристалле с примесными атомами

В реальных кристаллах присутствуют и дислокации, и точечные дефекты. Междоузельный атом является в решетке центром напряжения сжатия, а вакансия вызывает растяжение. Эти дефекты соседствуют с дислокациями, и между ними и дислокациями возникает упругое взаимодействие. В области растяжения возникает повышенная концентрация междоузельных атомов и пониженная концентрация вакансий, а в области сжатия наоборот повышенная концентрация вакансий и пониженная - междоузельных атомов (рис. 3.3).

Если в кристалле имеются примесные атомы, то между ними и краевыми дислокациями тоже существует взаимодействие. Атомы, внедренные в решетку, занимают либо положения замещения, заменяя атомы исходного вещества в узлах решетки, либо внедряются в междоузлия. Примесь в каждом из этих случаев является центром расширения или сжатия. Это приводит к тому, что инородные атомы притягиваются дислокацией и располагаются вокруг нее. Говорят, что вокруг дислокаций образуется атмосфера примесных атомов («шуба»).

В большинстве реальных кристаллов вследствие их анизотропии искажения, вносимые дефектами, являются несимметричными. Это ведет к их взаимодействию со скалывающими напряжениями вокруг винтовой дислокации.

Краевая дислокация, переходящая из одной плоскости скольжения в другую, расположенную выше на одно межатомное расстояние, называется ступенькой. Если расстояние между плоскостями скольжения равно одному периоду решетки, то дислокационную ступеньку называют единичной, в случае более удаленных друг от друга плоскостей скольжения ее называют сверхступенькой.

Точечные дефекты могут аннигилировать на дислокации. Если к точке А единичной дислокационной ступеньки (рис. 3.4) подходит вакансия, то ступенька смещается в положение В, а сама вакансия исчезает. Если же к точке А подходит межузельный атом, то процесс аналогичен и ступенька смещается в С с поглощением межузельного атома.

Кроме упругого взаимодействия дефектов в большинстве твердых тел осуществляется также электрическое взаимодействие. Наиболее ярко оно проявляется в полупроводниках и диэлектрических ионных кристаллах. Оборванные связи в области дислокации действуют как акцепторы. В полупроводниках n-типа они могут захватывать электроны проводимости и тем самым создают кулоновское взаимодействие дислокации и положительного иона. Максимальная величина электрического взаимодействия может быть представлена приближенным выражением

,     (3.5)

где f − доля свободных оборванных связей, a − расстояние между этими связями, e − заряд электрона. При комнатной температуре максимальное значение .

Барьеры Пайерлса

Важной характеристикой материала, связанной с движением дислокаций, являются так называемые напряжения (или барьеры) Пайерлса. Рассмотрим изменение сил, действующих на дислокацию при ее перемещении на вектор Бюргерса (рис. 3.5). В исходном положении силы отталкивания, действующие на дислокацию со стороны соседних плоскостей, одинаковы и симметрично направлены в противоположные стороны. С началом перемещения дислокации из исходного положения 1 напряжение отталкивания увеличивается и достигает максимума, пройдя путь d/4, где d − межплоскостное расстояние, и затем изменяется до минимума под влиянием сил притяжения при переходе в положение , равное d/2. Процесс повторяется при переходе из положения  в положение 2. При этом полуплоскость 2 сместится вправо в положение . Такое циклическое изменение напряжения происходит в течение всего времени движения дислокации.

Рис. 3.5. Перемещение дислокации в решетке и периодический характер изменения при этом ее потенциальной энергии

Следовательно, при перемещении дислокации в решетке она испытывает периодическое изменение тормозящих упругих напряжений. Это происходит так, как будто дислокация тормозится силами трения в решетке. Положение, соответствующее , называют долиной потенциального рельефа. Характер зависимости потенциальной энергии краевой дислокации  от смещения из равновесного положения определяется типом химической связи и другими факторами. В первом приближении ее считают синусоидальной и определяют из формулы