Порошковое материаловедение. Часть 1. Основы теоретического материало

В этом направлении и находится минимальный единичный вектор тождественной трансляции ГП-решетки b1 a3 1210 .

Единичные дислокации в ГП-решетке могут иметь векто-

Частичные дислокации Шокли в ГП-решетке. На рис. 31 образованию единичной дислокации соответствует

единичный вектор тождественной трансляции b1. При сдвиге вдоль b1 шар второго слоя из положения в лунке В смещается

в соседнюю лунку В, перекатываясь через шар А. Но значительно легче шару В попасть в соседнюю лунку В, сначала

Рис. 31. Слой плотнейшей упаковки атомов А и векторы Бюргерса единичной b1

и частичных b2 , b3 дислокаций

41

скользя вдоль вектора b2 , а затем вдоль вектора b3. Переме-

щение атомов не вдоль единичного вектора тождественной трансляции, а вдоль вектора меньшей мощности приводит к образованию не полной, а частичной дислокации. Ее вектор

Бюргерса b2 13[01 10] меньше минимального единичного век-

тора тождественной трансляции b1 13[1210] . Такая дислока-

ция называется частичной дислокацией Шокли.

Частичные дислокации Шокли в ГЦК-решетке. В ГЦК-

решетке, так же как и в ГП-решетке, атомы одного плотноупакованного слоя могут попадать в тождественное положение

не только в результате сдвига на единичный вектор b1, но и в результате двух последовательных смещений: вдоль вектора b2 из исходного положения в ближайшую лунку и из этой лунки вдоль вектора b3 в стабильное положение.

Расщеплению единичной дислокации соответствует удаление одной экстраплоскости от другой на некоторое расстояние. Вокруг края одной из этих экстраплоскостей проходит

частичная дислокация с вектором Бюргерса b2 , а вокруг края другой – частичная дислокация с вектором Бюргерса b3. Единичная дислокация b1 была чисто краевой, а частичные дислокации b2 и b3 – не чисто краевые, так как векторы Бюргерса этих дислокаций не перпендикулярны их линиям. Смещение атомов по вектору b2 , а не по b1, создает дефект упаковки.

42

Если в ГЦК-решетке с чередованием плотноупакованных слоев АВСАВС… атомы одного слоя сместились из положения

В в соседнее положение С вдоль вектора b2 , то получается че-

редование слоев АВСАСАВСА… Этот дефект является тонкой прослойкой САСА ГП-решетки в ГЦК-решетке.

Частичные дислокации Шокли в ОЦК-решетке. Рас-

щепление единичной винтовой дислокации на две частичные в ОЦК-решетке показано на рис. 32. На левой части рисунка изображен участок, не претерпевший сдвига.

Рис. 32. Винтовая дислокация в плоскости (112) ОЦК-решетки: между частичными дислокациями Шокли с векторами Бюргерса b2 и b3 находится дефект упаковки. 1 (●) – атомы нижнего, 2 (+) – среднего

и3 (○) – верхнего слоя соответственно

Всредней части рис. 32 атомы верхнего слоя 3 смещены по направлению [111], но не на величину единичного вектора

тождественной трансляции a2 [1 11] , а на одну треть его, т.е. на

a6 [1 11] . При этом атомы верхнего слоя 3 попадают в механи-

чески устойчивое положение над атомами нижнего слоя 1, образуя дефект упаковки. Левая граница дефекта упаковки – час-

тичная дислокация с вектором Бюргерса a6 [1 11] .

43

На правой стороне рис. 32 атомы верхнего слоя смещены из положений над атомами нижнего слоя в стабильные положения. Смещения произошли на величину, равную двум третям единичного вектора тождественной трансляции, т.е. на

a3 [1 11] .

В результате сдвига сначала на a6 [1 11] , а затем на a3 [1 11]

образовалось чередование слоев 112 , свойственное решетке ОЦК. Правой границей дефекта упаковки является частичная

дислокация с вектором Бюргерса a3 [1 11] .

Частичные дислокации Франка. Частичные дислокации Шокли создавались несквозным сдвигом в плоскости плотнейшей упаковки, когда возникавший дефект упаковки оканчивался внутри кристалла. Его границей внутри кристалла и была частичная дислокация Шокли с вектором Бюргерса, лежащим в плос-

сблизив по нормали соседние плотноупакованные слои, то возникает дефект упаковки вычитания. Граница его внутри кристалла – линейное несовершенство, называемое частичной дислокацией Франка (рис. 33). Область несовершенства тянется вдоль края неполной атомной плоскости. Вектор Бюргерса дислокации Франка перпендикулярен линии дислокации Франка, т.е. дислокация Франка – краевая.

44

Дислокация Франка может перемещаться только диффузионным путем (переползанием) в плоскости дефекта упаковки при достройке неполного атомного слоя или при удалении атомов с его кромки. Поэтому частичные дислокации Франка называют сидячими или полузакрепленными. В отличие от них частичные дислокации Шокли и все полные дислокации называют скользящими.

ВГП-решетке частичные дислокации Франка служат границами дефектов упаковки, которые можно получить при внедрении или удалении неполного плотноупакованного слоя

(0001).

ВОЦК-решетке сидячая дислокация с чисто краевой ориентацией является границей дефекта упаковки, полученного внедрением двух неполных слоев в семейство параллельных

слоев {112} . Вектор Бюргерса ее a3 112 перпендикулярен плоскости {112}.

2.2.6.Пересечение дислокации

Вобычных кристаллах содержится большое количество дислокаций. Плоскость скольжения данной дислокации пронизана другими дислокациями. Такую систему пронизывающих дислокаций называют «лесом» дислокаций.

При пересечении двух дислокаций с разными векторами Бюргерса на каждой из них возникают искажения, получившие название порогов и ступенек.

Пересечение двух краевых дислокаций с перпендикулярными векторами Бюргерса показано на рис. 34 а, б. Краевая

дислокация XY с вектором Бюргерса b1, двигаясь в плоскости Р, перерезает дислокацию АВ с вектором b2. Пересечение дислокаций приводит к образованию порога РР на АВ параллельно вектору b1, дислокации АВ. Порог, являясь частью дис-

45

локации АВ, имеет вектор Бюргерса b2 , а длина его равна длине вектора Бюргерса b1, общая длина дислокации возрастает на величину вектора b1. На дислокации XY порог не образуется, так как она параллельна вектору Бюргерса дислокации АВ.

Рис. 34. Пересечение краевых дислокаций AB и XY: а, б – с взаимно перпендикулярными векторами Бюргерса; в, г – с параллельными векторами Бюргерса; а, в – до пересечения; б, г – после пересечения

Пересечение краевых дислокаций с параллельными векторами Бюргерса, при котором образуются пороги на обеих дис-

локациях, показано на рис. 34 в, г. Длина порога QQ равна b2 , а порога РР – b1. Пересечение краевой дислокации с винтовой

показано на рис. 35. В результате пересечения пороги образуются на обеих дислокациях. В случае если длина порога равна

46

вектору Бюргерса пересекающей дислокации, пороги называют элементарными.

Рис. 35. Пересечение винтовой дислокации XY с краевой АВ: а – до пересечения; б – после пересечения

При последовательном пересечении ряда дислокаций, скользящих в одной плоскости, образуется порог размером в несколько векторов Бюргерса, получивший название длинного или составного. Пересечение винтовых дислокаций показано на рис. 36. Допустим, что дислокация XY неподвижна, а АВ скользит справа налево. После пересечения у обеих дислокаций образуются пороги. Элементарные пороги в винтовых дислокациях имеют краевую ориентацию и способны скользить только вдоль линии дислокации в направлении вектора Бюргерса.

Рис. 36. Пересечение винтовых дислокаций XY и АВ: а – до пересечения, б – после пересечения

47

При скольжении винтовой дислокации длинный порог сразу же отстает от нее, а поскольку дислокация не может оборваться внутри кристалла, то около порога возникает петля.

Значительные эффекты взаимодействия проявляются при пересечении частичных дислокаций. Растянутая дислокация может скользить в том случае, если дефект упаковки лежит

вплоскости скольжения, т.е. векторы Бюргерса обеих частичных дислокаций лежат в плоскости дефекта упаковки. Частичная дислокация, не обладающая этими свойствами, может либо переползать, т.е. выходить из плоскости дефекта упаковки, либо перемещаться, сдвигая дефект упаковки в другую кристаллографическую плоскость. Однако этот процесс затруднен, так как требует одновременного перемещения многих атомов. Дислокация такого типа получила название сидячей. Образование порога в растянутой дислокации связано с возникновением больших деформаций, кроме случая, когда в месте нахождения порога две частичные дислокации объединяются. Образование порога приводит к местному уничтожению дефекта упаковки (перетяжка), что требует затраты большой энергии, особенно если ширина упаковки велика, как это имеет место

вблагородных металлах. Для взаимного пересечения растянутых дислокаций необходимы значительные напряжения.

Две растянутые дислокации с осями, близкими к параллельным, могут препятствовать движению друг друга в том случае, если при слиянии частичных дислокаций образуется сидячая дислокация. При этом вся система становится неподвижной, так как остальные части дислокаций при движении будут увеличивать дефект упаковки. Такие явления закрепления могут иметь место, когда две совершенные дислокации соединяются, а затем разделяются на сидячие частичные дислокации с образованием так называемой дислокации Ломера– Коттрелла. Такое разделение возможно только в случае уменьшения энергии системы.

48

Образование сидячей дислокации приводит к уменьшению подвижности дислокации по всей ее длине, в то время как образование единичного порога только локально задерживает перемещение, и при приложении напряжения ступеньки могут двигаться вслед за дислокациями.

2.2.7.Взаимодействие дислокаций

спримесными атомами

Атмосферы Коттрелла. При взаимодействии упругих полей напряжений примесного атома и дислокации примесный атом испытывает со стороны дислокации притяжение. Это притяжение связано с распределением упругих напряжений вокруг дислокации. В случае краевой дислокации с одной стороны от плоскости скольжения имеется область гидростатического (всестороннего) сжатия, а с другой – гидростатического растяжения.

Атомы элемента, растворенного по способу внедрения, притягиваются к области гидростатического растяжения и размещаются в ней (под краем экстраплоскости). Место размещения атомов элемента, образующего твердый раствор замещения, зависит от его размеров.

Атомы элемента, имеющие больший размер, чем атомы основного металла, притягиваются к области гидростатического растяжения, а имеющие меньший размер – к области гидростатического сжатия и размещаются над краем экстраплоскости. Такое размещение атомов термодинамически выгодно, так как дает выигрыш в энергии. Энергия связи краевой дислокации с примесными атомами обусловлена не только упругим, но

и электрическим взаимодействием с неупругими искажениями

вядре дислокации. Примесные атомы внедрения притягиваются к дислокации сильнее, чем атомы замещения. Примесные атомы, осажденные в виде цепочки вдоль экстраплоскости, получили название атмосферы Коттрелла.

49

Винтовая дислокация не создает областей гидростатического сжатия и растяжения и не способна притягивать дефекты, имеющие сферическую симметрию поля искажений.

С повышением температуры атмосфера Коттрелла рассасывается. При понижении температуры концентрация примеси около дислокации возрастает, и после достижения предела растворимости вблизи ядра дислокации могут образоваться дисперсные выделения второй фазы.

Атмосфера Снука. При отсутствии напряжения в ОЦКрешетке железа атомы углерода и азота заполняют октаэдрические пустоты вдоль трех различных кристаллографических осей (рис. 37). В нормальных условиях эти три положения атомов эквивалентны.

аб

Рис. 37. Раcположение атомов внедрения ( ) в октаэдрических пустотах ОЦК-решетки: а – без напряжений; б – при растягивающих напряжениях

Однако в поле напряжений внешних или создаваемых дислокациями расстояние между атомами железа увеличивается вдоль одного из направлений и атомы внедрения располагаются преимущественно в этом же направлении.

Такое расположение атомов может наблюдаться в поле напряжений как винтовой, так и краевой дислокаций. Область

50