ММ Материаловедение / _2 тема-Дефекты (тезисы)

Дефекты кристаллического строения реальных металлов.

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократную трансляцию (повторение) элементарной ячейки в трех направлениях (осей). Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в решетке.

Классификация дефектов. По геометрическим признакам: точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные (трехмерные).

Точечные дефекты. Собственные (структурные) и примесные. Элементарные собственные дефекты – вакансии и межузельные атомы. Примесные - атомы примеси, растворенные по способу замещения или внедрения.

Вакансии представляют собой незаполненный узел кристаллической решетки. Межузельный атом - это собственный атом расположенный в междоузлии. (Нарисовать рис.)

В узлах кристаллической решетки атомы колеблются с частотой ~10¹³с^-1. Средняя кинетическая энергия тепловых колебаний атомов равна 3/2 кТ. При Т=20^оС она равна ~0,3 эв, что значительно меньше энергии образования точечных дефектов (1-3 эв.). Однако за счет флуктуации кинетической энергии возможно преодоление атомом окружающих потенциальных барьеров. Вероятность такого акта увеличивается с повышением температуры по экспоненциальному закону.

Если при этом происходит выход атома из узла кристаллической решетки в междоузлие, то образуется вакансия и межузельный атом (парный дефект Френкеля). Если же атом перемещается из нормального положения в узле кристаллической решетки на поверхность кристалла, то образуется вакансия (дефект Шоттки).

Вокруг точечных дефектов кристаллическая решетка сильно искажена, следовательно, их образование всегда требует затраты энергии. Однако присутствие точечных дефектов в определенных концентрациях, зависящих от температуры является термодинамически выгодным. Это объясняется тем, что образование точечных дефектов хотя и повышает U в уравнении F = U - ST, одновременно увеличивает энтропию системы S. В результате свободная энергия при наличии дефектов какой-то равновесной концентрации уменьшается. Равновесная концентрация вакансий составляет С_v=exp(‑E_вак/kT), где Е_вак - энергия образования вакансий. Отсюда видно, что равновесная концентрация вакансий сильно зависит от температуры. Вблизи Т_плав С_v ~10^-4, вблизи комнатной температуры 10^-20.

Если один из атомов, расположенных около вакансии, получает от соседних атомов избыток энергии и амплитуда его колебания превысит b/2, то он преодолевает потенциальный барьер Е_м и перемещается в соседний свободный узел, т.е. атом и вакансия обменивается местами (Рис.). Таким образом осуществляется миграция вакансий. Высота барьера Е_m является энергией активации миграции вакансий.

Для поддержания термодинамического равновесия с изменением температуры должна меняться и концентрация вакансий. Вакансии появляются и исчезают на других дефектах решетки. Тепловые вакансии образуются в основном на свободной поверхности кристалла.

Большое количество точечных дефектов образуются при пластической деформации, а также при облучении кристаллов частицами с большой энергией.

Поле напряжений, которое создает вакансия в кристалле является близкодействующим. Поэтому взаимодействие между вакансиями на больших расстояниях отсутствует. На близком расстоянии две вакансии всегда притягиваются, образуя дивакансию. Подвижность дивакансий больше, чем подвижность одиночных вакансий. Возможно также образование тривакансий.

Линейные дефекты. Особым и важным видом линейных несовершенств кристалла являются дислокации.

До дислокационной теории процесс скольжения представляли в виде одновременного смещения всех атомов одного слоя по отношению к атомам соседнего слоя. Если рассчитать необходимую величину скалывающего напряжения в этом случае, то оно составит  = G/2 или G/6. Однако эксперименты показывают, что значение реального критического скалывающего напряжения в металлах и сплавах на 3-4 порядка ниже теоретической прочности. Поэтому пришлось предположить, что в смещении участвуют не все атомы, находящиеся по обе стороны от плоскости скольжения, а лишь небольшая группа атомов, которая находится в области дислокации.

Наиболее простой и наглядный способ введение дислокаций в кристалле - это сдвиг (Рис.). В результате сдвига выше плоскости скольжения оказывается на одну вертикальную плоскость больше, чем ниже ее. Она не имеет продолжения ниже плоскости скольжения и такую неполную плоскость называют экстраплоскостью. Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией (ядром дислокации). Краевая дислокация является линейным дефектом. Истинное положение атомов в ядре дислокации остается неизвестным.

Дислокацией называется линейное несовершенство, являющееся границей зоны сдвига внутри кристалла. Эта граница отделяет ту часть плоскости скольжения, где сдвиг прошел, от той части, где он еще не начинался.

Положительные и отрицательные дислокации (условность).

Экспериментально было установлено, что на полированной поверхности кристалла после деформации остаются следы в виде линий сдвига (Показать фотографии). Причем сдвиги происходят по наиболее плотноупакованным плоскостям ({111} - ГЦК, {0001} - ГП). Скольжение в определенной плоскости начинается тогда, когда касательное напряжение в ней достигает некоторой критической величины, называемой скалывающим напряжением.

Движение дислокации перпендикулярно экстра плоскости называют скольжением или консервативным движением, вдоль - перпендикулярно плоскости скольжения - переползанием или неконсервативным движением.

Винтовая и смешанная дислокации. Возьмем идеальный кристалл, надрежем его вдоль какой-нибудь плоскости и сместим одну часть кристалла относительно другой. Название винтовой дислокации связано с тем, что ее введение в кристалл превращает семейство параллельных атомных плоскостей в сплошную винтовую поверхность.

В отличие от краевой винтовая дислокация может переходить из одной плоскости в другую без переноса массы - скольжением.

Смешанная дислокация, как следует из ее названия, может быть разложена на краевую и винтовую составляющие.

Вектор Бюргерса. Чтобы оценить степень искаженности решетки, вызванной дислокацией, следует сравнить несовершенный кристалл, содержащий дислокацию, с совершенным кристаллом. Для этого строят контур Бюргерса. Контуром Бюргерса называется замкнутый контур произвольной формы, построенный в реальном кристалле путем последовательного обхода дефектов от атома к атому в совершенной области кристалла. Сумма всех упругих напряжений, накопившаяся при обходе по контуру Бюргерса и проявляется в виде невязки, когда соответствующий контур строят в совершенном кристалле. Поэтому вектор Бюргерса, замыкающий в совершенном кристалле контур Бюргерса, является мерой той искаженности решетки в несовершенном кристалле, которая вызвана дислокацией. Вектор Бюргерса определяет энергию дислокации, действующие на дислокацию силы, величину связанного с дислокацией сдвига, влияет на подвижность дислокации.

Вектор Бюргерса имеет ряд особенностей:

1. Нормален к линии краевой дислокации и параллелен линии винтовой дислокации. Вдоль линии смешанной дислокации угол между ней и вектором Б. в разных точках имеет разную величину.

2. У дефектов не дислокационного типа равен нулю.

3. Одинаков вдоль всей линии дислокации. Отсюда следует, что дислокация не может обрываться внутри кристалла.

4. Вектор Б. и линия дислокации однозначно определяют возможную плоскость скольжения.

Мерой "количества дислокаций" служит суммарная длина линий дислокаций в единице объема материала - плотность дислокаций  [см^-2].

Положительная краевая дислокация создает сжимающие напряжения над линией дислокации (в области внедрения лишней полуплоскости), и растягивающие - под линией дислокации. Энергия поля упругих искажений для краевой дислокаций приблизительно равна

E_дисл.= Gb²/2(1-)

для винтовой дислокации

E_дисл.= Gb²/2,

 - коэффициент Пуассона.

Дислокации в соответствии с вектором Бюргерса делятся на единичные и многократные (большей мощности).

При перемещении в кристалле точечные дефекты скапливаются около линии дислокации, в результате чего энергия упругих искажений в кристалле понижается. Например, примесные атомы при расположении у линии дислокации вызывают меньшие искажения. Скопление примесных атомов внедрения у линии дислокации называется облаком (атмосферой) Коттрелла.

Поверхностные дефекты. К поверхностным дефектам относятся границы зерен и субзерен. Границей зерен, а также субзерен называют поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией. Эта поверхность является двухмерным дефектом, имеющим макроскопические размеры в двух измерениях и атомные - в третьем измерении. Взаимную ориентацию соседних зерен часто характеризуют, указывая общее для обоих зерен кристаллографическое направление (u v w) и угол поворота  вокруг него, который приводит к параллельности решеток соседних зерен.

Границы с разориентацией соседних зерен менее ~10^о относят к малоугловым, а с большей разориентацией - к высокоугловым (большеугловым). Малоугловые границы образованы системами дислокаций и подразделяются на границы кручения и наклона.

Границы наклона образованы вертикальной стенкой краевых дислокаций одного знака. Угол разориентировки  в такой границе определяется из соотношения b/D = 2sin/2. При малых углах разориентировки D = b/.

Малоугловые границы кручения могут быть описаны сеткой винтовых дислокаций.

Для объяснения строения высокоугловых границ зерен используют островковую модель Мотта, согласно которой вдоль плоскости границы чередуются участки "хорошего" и "плохого" сопряжения решеток соседних зерен. Ширина границы - несколько атомных расстояний.

В металле встречаются границы, в которых все атомы границы одновременно принадлежат решеткам соседних кристаллов. Такие границы называются когерентными и они имеют идеальное сопряжение решеток. Некогерентными называются границы, все или часть атомов которых не являются общими для соседних кристаллов. Примером когерентной границы является граница двойника.

Различают специальные границы зерен, отвечающих некоторым особым разориентировкам соседних зерен и отличающихся пониженной энергией.

При развороте двух одинаковых решеток вокруг общей кристаллографической оси на определенный угол часть одной решетки совпадает с узлами другой решетки. Такие совпадающие узлы образуют общую для обоих зерен решетку совпадающих узлов (РСУ). Для характеристики РСУ использую обратную плотность совпадающих узлов, обозначаемую , - число узлов решетки металла, приходящиеся на один совпадающий узел в общей решетке.

Если граница зерен располагается вдоль плоскости с максимальной плотностью совпадающих узлов в РСУ, то из-за большого числа атомов, принадлежащих одновременно решеткам соседних зерен, структура границы совпадающих узлов весьма совершенна и соответственно ее энергия минимальна. Такая граница является специальной. Для двойников =3.

Дефекты упаковки. Если атомы уложить плотнейшим способом, то на первом слое (атомы первого слоя обозначим А) есть две серии впадин, центры которых обозначим В и С. Второй слой уложим на впадины С. Если атомы третьего слоя расположим над центрами впадин С то получается ГЦК решетка с порядком АВСАВСАВС. Если атомы третьего слоя уложить над атомами первого слоя то получим ГП решетку с порядком чередования АВАВАВ.

Если в материале наблюдается нарушение порядка укладки, то такой дефект называется дефектом упаковки.

Из-за разности строения ДУ и зерна концентрация растворенных примесей будет различной. Такое изменение состава называется атмосферой Сузуки.