Раздел 7. Дислокационные системы и границы раздела

Тема 7.1. Образование дислокаций при

Кристаллизации и после­дующем охлаждении металлов. Дислокационные сетки и сплетения.

Энергия дислокаций слишком велика, чтобы они могли образовываться путем термической активации.

Монокристаллы и поликристаллы металлических материалов сразу же после кристаллизации содержат много дислокаций, следовательно, дислокации возникают в них в процессе кристаллизации или при охлаждении после затвердения.

Считаются возможными следующие механизмы образования дислокаций:

1) Зародышеобразование при кристаллизации происходит негомогенно на готовой твердой фазе-подложке, которой могут служить, например, стенки изложницы или мельчайшие твердые частицы в расплаве. На поверхности таких подложек выходят винтовые дислокации, т.е. на фронте кристаллизации имеются готовые ступеньки, с которых и начинается рост кристалла из расплава.

Н овый кристалл легко растет, достраивая эту ступеньку; ступенька закручивается в спираль вокруг линии винтовой дислокации, в результате чего растущий кристалл представляет собой одну атомную плоскость, закрученную по спирали.

Таким образом, винтовая дислокация подложки наследуется образующимся кристаллом.

Рис. 7.1. Дислокация несоответствия на границе растущего кристалла (К) с подложкой (П): а_к ≠ а_п

2 ) Часто при зарождении решетка нового кристалла сопрягается с кристаллической решеткой подложки. Из-за несоответствия параметров этих решетки возникают упругие напряжения, и оказывается энергетически выгодным образование дислокаций (рис. 7.1).

Такие дислокации называют структурными, эпитаксиальными или дислокациями несоответствия.

Рис. 7.2. Образование стенки дислокаций при срастании зерен в процессе кристаллизации: а) до срастания, б) после срастания

3) Различные случайности при кристаллизации расплавов могут приводить к разориентации соседних областей одного кристалла. Эти слегка разориентированные области кристаллической решетки срастаются с образованием дислокаций на их границах. Поверхности срастания представляют собой стенки из одноименных краевых дислокаций (рис. 7.2).

4) Дислокации могут возникать и в полностью затвердевшем металле за счет вакансионного механизма.

Как известно, равновесная концентрация вакансий резко уменьшается с понижением температуры. Поэтому при ускоренном охлаждении кристалл оказывается пересыщенным вакансиями, и избыточные вакансии конденсируются в дискообразные конфигурации. Когда диаметр такого вакансионного диска превышает некоторую критическую величину, его стороны сближаются и происходит захлопывание диска вакансий, приводящее к образованию кольцевой дислокации (например, дислокации Франка, ограничивающей дефект упаковки в ГЦК решетке).

Дислокации при захлопывании дисков вакансий образуются не только при охлаждении после кристаллизации, но и при закалке металлических материалов от высоких температур.

5) Дислокации могут зарождаться при концентрации напряжений в отдельных участках кристаллов - вблизи включений, трещин, границ двойников. Например, при охлаждении из-за разных коэффициентов термического расширения кристалла и включения около включения возникают упругие напряжения, достаточные для самопризвольного зарождения дислокационных петель, поскольку зарождение дислокаций и удаление их от включений приводит к уменьшению внутренних напряжений. Величина напряжения, необходимого для такого зарождения дислокаций, составляет примерно G/30, где G – модуль сдвига.

Пространственное расположение дислокаций в металлах и сплавах после кристаллизации представляет собой некую дислокационную сетку. Дислокации под действием линейного натяжения стремятся выпрямиться между узлами этой сетки и образовать узлы, в которых встречаются три дислокации. Когда все три дислокации имеют одинаковую энергию, то они располагаются в узле под углом в 120^о одна к другой. Сетки дислокаций могут быть как плоскими, так и трехмерными.