16. Краевые дислокации. Винтовые дислокации.

Дислокации – устойчивые линейные дефекты кристаллической решётки, нарушающие чередование атомных плоскостей.

Дислокации, нарушающие дальний порядок в кристалле искажают всю его структуру.

Краевая дислокация

Краевая дислокация характеризуется лишней кристаллической плоскостью, вдвинутой между двумя соседними слоями атомов. Этот лишний слой (лишняя плоскость) - экстра-плоскость.

Д ля краевой дислокации характерно так называемое нониусное расположение атомных плоскостей. Т.е. сверху n+1 атомная плоскость, а снизу, на том же отрезке длины n-плоскостей. вектор сдвига обозначен τ.

Краевые дислокации подразделяются на положительные и отрицательные.

П оложительная дислокация соответствует случаю, когда сверху есть лишняя полуплоскость.

Отрицательная дислокация соответствует случаю, когда верхняя половина кристалла растянута, а нижняя – сжата. Положительная и отрицательная дислокации отличаются поворотом на 180°, поэтому если дислокация одна, то нет смысла говорить о её знаке, т.е. знак существует, если рядом есть другая дислокация. Причём одноименные дислокации – отталкиваются, а разноимённые – притягиваются.

Винтовая дислокация

В интовая дислокация в кристалле также возникает при сдвиге одной части кристалла относительно другой, но, в отличие от краевой дислокации, линия винтовой дислокации параллельна вектору сдвига.

Можно представить, что в кристалле произведён разрез (рис. а), а затем сдвиг вдоль плоскости разреза (рис. б). Линия BC- линия винтовой дислокации. Кристалл, содержащий винтовую дислокацию, состоит не из параллельных атомных плоскостей, а как бы из одной атомной плоскости, закрученной как винтовая лестница. Ось этого винта – BC – есть линия винтовой дислокации.

Винтовые дислокации бывают правые и левые. Две правые и две левые винтовые дислокации отталкиваются, а правая и левая – притягиваются.

17. Контур и вектор Бюргерса. Энергия дислокации. Источники дислокаций.

Рисунок: Контур Бюргерса в реальном (а) и исходном идеальном кристалле (б).

Проведём в решётке замкнутый контур Бюргерса вокруг плоскости, не содержащего линии дислокации. Второй такой же контур Бюргерса построим в такой же области решётки, но так, чтобы внутри была дислокация, как на рисунке б). Контуры строятся таким образом, чтобы у них были одинаковые направления обхода и число шагов. На рисунке а) проведён путь 1-2, равный 5 шагам. Путь 2-3, равный 4-м шагам, 3-В равный 4-м шагам, А-1 – 4-м шагам. Контур замкнут. На рисунке б): если 3-В равно 4-м шагам, то контур не замкнут. Чтобы его замкнуть, нужно сделать ещё один шаг – В-А.

Вектор , замыкающий разрыв контура- вектор Бюргерса . Вектор Бюргерса – мера искажения решётки, обусловленная присутствием дислокации. Аналогично для винтовой дислокации. Для краевой дислокации виктор – межплоскостное расстояние оборванной плоскости, для винтовой – шаг винта в направлении оси дислокации.

Если движение дислокации не сопровождается переносом массы, то это консервативное движение или скольжение.Если происходит массоперенос, например когда движение краевой дислокации происходит не в плоскости скольжения, а происходит переползание дислокации ниже этой плоскости, например, к краю оборванной полуплоскости подойдут лишние внедрённые атомы из объёма кристалла, и дислокации ползут ниже, то такое движение - переползание.

Энергия дислокации

Энергия дислокации – энергия, затрачиваемая на искажение решётки при образовании дислокации. Эту энергию рассчитывают как работу, которую нужно затратить против сил связи в решётке, чтобы осуществить разрыв и сдвинуть две атомные плоскости в решётке друг относительно друга, т.е. ввести дислокации:

Где G – модуль сдвига, b–модуль вектора Бюргерса.

Источники дислокации

Д ислокации возникают в кристаллах в процессе их выращивания. При определённых условиях получают тела с низкой плотностью дислокации (~10²см^-2 и менее). В то же время известно, что при деформации плотность дислокации возрастает и может достигать 10¹⁰см^-2. Для объяснения этого факта необходимо допустить, что внутри кристалла имеются источники дислокаций. Одним из возможных механизмов размножений дислокаций был предложен Франком и Ридом, и был назван источник Франка и Рида (рисунок 1). Линия АВ представляет собой краевую дислокацию с закреплёнными концами (рисунок 2). Франк и Рид обнаружили, что отрезок АВ может действовать как источник неограниченного числа дислокаций. Под действием внешнего напряжения τдислокация начинает выгибаться в плоскости скольжения и занимает положение 1. Если бы концы отрезка были свободны, то дислокация стала бы двигаться путём скольжения. Постепенное выгибание дислокаций может происходить лишь при непрерывно возрастающем напряжении τ, достигающего максимального значения в момент, когда дислокация принимает форму полуокружности. При этом критическое напряжение:

Критическое напряжение источника Франка-Рида, где l–длинна отрезка АВ.

При τ_кр концентрация становится не стабильной, и дислокация самопроизвольно расширяется, занимая положение 2, 3, 4. В положении 4 части дислокационной петли С и С’ имеют винтовые компоненты противоположного знака, т.е. движутся на встречу друг другу в одной и той же плоскости скольжения, и взаимно уничтожаются. В результате этого происходит разделение дислокации на 2: внешнюю и внутреннюю (положение 5). Внешняя дислокация разрастается до поверхности кристалла, а внутренняя занимает исходное состояние. После этого весь процесс начинается сначала. Число дислокаций, генерируемых источником Франка-Рида, не