3.2 Дислокації

Л інійні мікродефекти мають малі розміри у двох вимірах і велику протяжність у третьому. Такі недосконалості кристалічної будови нази­вають дислокаціями. Це особливий вид розташування атомів, коли порушено його періодичність. Розрізняють крайові (лінійні) та гвинтові дислокації.

Уявлення про крайову дислокацію пов'язане із зайвою атомною площиною — екстраплощиною, яка не має продовження всередині кристала (мал. 1.17, а). Така дислокація може виникнути, наприклад, у процесі кристалізації при зрощуванні кристалів з різною орієнтацією просторових ґраток, при пластичному деформуванні.

Я кщо верхню частину кристала (мал. 1.18) зсунути щодо нижньої на одну міжатомну відстань і зафіксувати положення, коли зсув охопив не всю площину ковзання, а лише її частину, то межа АВ між ділянкою, де ковзання вже відбулося, та іншою частиною цієї площини, де його ще не було, і буде крайовою дислокацією. АВ – лінія крайової дислокації, яка пронизує кристал перпендикулярно вектору зсуву τ.

Поблизу краю екстра площини виникають зміщення атомів щодо їх нормальних положень, причому найбільш зміщені ті атоми, які розташовані біля краю екстра площини.

Проте вже на відстані кількох атомів ці зміщення стають незначними. Викривлену площину навколо дислокації називають її ядром. Його розміри становлять , а довжина екстраплощини може сягати . У ядрі крайової дислокації знаходяться області пружно стиснутого та пружно розтягненого металу (мал. 1.17, б), саме там енергетичне вигідним є розташування атомів домішок, що утворюють так звані атмосфери Котрелла.

П орушення порядку розташування атомів може утворити інший вид лінійного дефекту - гвинтову дислокацію. Зсув однієї частини кристала щодо іншої можна реалізувати не тільки за схемою, пока­заною на мал. 1.18, але й так, як на мал. 1.19. Якщо надрізати кристал до середини по площині АВСD і зсунути його праву частину вниз на один період ґратки, то на верхній грані кристала утвориться сходинка, що закінчується в точці В. При цьому зміщення правої частини кристала щодо лівої зменшується у напрямку від А до В. Якщо до зсуву кристал складався з паралельних атомних площин, то після зсуву навколо осі ЕF (мал. 1.18, в) атомні площини розташовуються у вигляді гвинтової сходинки. Вузька область викривленої ґратки навколо лінії ЕF відокремлює ту частину кристала, де зсув у процесі ковзання відбувся, від тієї, де його не було.

Якщо вісь крайової дислокації і вектор зсуву взаємно перпенди­кулярні, то для гвинтової дислокації вони паралельні одне одному. Гвинтова дислокація, як і крайова, є рухомим утворенням у кристалі. Досить невеликих зовнішніх навантажень для їх переходу у нові положення.

Механізм утворення гвинтової дислокації при кристалізації повністю не з'ясовано. Виникнення сходинки, можливо, зумовлене домішками. За аналогією з розглянутою нижче схемою приєднання атомів при зростанні у процесі кристалізації двовимірного зародка, атоми з більшою ймовірністю будуть приєднуватися до зростаючого кристала в області сходинки, а не до плоскої поверхні. У результаті цього сходинка буде обертатися навколо лінії ЕF. З цієї причини на поверхні багатьох кристалів можна спостерігати спіралі зростання, які підтверджують запропонований механізм утворення кристала за участю гвинтової дислокації.

Правдоподібною є модель виникнення дислокацій у кристалі, запропонована Ф. Франком і В. Рідом, зі спеціальних джерел, на їхню честь названих джерелами Франка-Ріда.

На відміну від точкових дефектів, концентрація яких є рівно­важною для даної температури, дислокації при будь-яких температурах підвищують вільну енергію кристала внаслідок викривлення ґратки при їх утворенні і тому є термодинамічне нерівноважними дефектами.

Критерієм викривлення кристалічної ґратки є вектор зсуву (вектор Бюргерса) b. Для його визначення у випадку крайової дислокації навколо неї будують контур ABCD (мал. 1.20), для цього від точки А послідовно відраховують однакову кількість міжатомних відстаней проти годинникової стрілки, тобто у напрямках АВ, ВС, СD, і замикають контур на ділянці DА. Порівнянням із контуром ідеального кристала, що не містить дислокації, знаходять їх різницю - відрізок АЕ, який і визначає величину вектора Бюргерса. Аналогічну побудову виконують і для гвинтової дислокації. У кристалі з крайовою дисло­кацією вектор Бюргерса розташований перпендикулярно до її осі, у кристалі з Гвинтовою дислокацією - паралельно.

Енергія дислокації Е_D залежить від вектора Бюргерса, що характеризує ступінь викривлення ґратки, та модуля зсуву G, який визначається силами міжатомного зв'язку. Енергія дислокації, що припадає на одиницю її довжини дорівнює

Е_D = α G b², (1.6)

де а - константа, яка залежить від типу дислокації, її відстані від сусідніх дислокацій та поверхні кристала, інших факторів. Зазвичай а = 0,5...1.

Густина дислокацій ρ- це сумарна їх довжина ΣL, у см, що припадає на одиницю об'єму V, см³:

ρ = ΣL/ V, (1.7)

У реальних кристалах міститься близько 10⁶...10⁸см^-2 дислокацій. Вони мають високу рухливість і здатність множитися під впливом зовнішніх сил, прикладених до кристала. Значна пластична деформація металу суттєво збільшує густину дислокацій – до 10⁶...10¹²см^-2. Густина дислокацій та їх розташування значно впливають на властивості металу.

До лінійних дефектів, крім дислокацій, відносять також ланцюжки вакансій та між вузлових атомів.