книги из ГПНТБ / Троицкий О.А. Радиация и прочность твердых тел

ж ет распадаться, ка к это показано на рис. 25, на дива-

кансии, ориентированные в направлении < 1 1 2 0 > . Другой путь образования точечных дефектов во вре­

мя пластической деформации — это генерирование ва­ кансий быстро движущимися дислокациями со ступень-

посвященном дислокациям. Отставание атомов' ступень­ ки происходит в силу динамической неустойчивости. Су­ ществуют т а к ж е другие механизмы образования точеч­ ных дефектов.

При деформировании металла в области высоких тем­ ператур устанавливается стационарная неравновесная концентрация вакансий, пропорциональная скорости де­ формирования и времени релаксации вакансий. Количе-

никнуть в процессе пластической деформации образца, в свою очередь, могут быть источниками или стоками для точечных дефектов. Д л я того чтобы избежать осложне­ ний, связанных с появлением в образце дополнительных стоков и источников в виде дислокаций, закалку нужно проводить в условиях, исключающих пластическую де­

венно связаны с дислокациями. Облучение является наи­ более универсальным способом производства точечных

Энергия частиц, особенно заряженных, в значитель­ ной мере затрачивается на ионизацию и электронное воз­ буждение. З а р я ж е н н ы е частицы отдают ядрам только

часть на возбуждение электронов. Однако ниже некото­ рого критического значения скорости движения (или энергии) большая часть энергии частиц расходуется на упругие столкновения с ядрами.

Выше подробно рассматривался вопрос о радиацион­ ных повреждениях в решётке применительно к различ­ ным типам частиц. В этой главе мы только вернемся к исключительно в а ж н ы м вопросам взаимодействия излу­

с веществом, о котором была речь выше и где учитыва­

плотной упаковки внедренный атом возникает далеко от вакансии. Фокусирующиеся столкновения распространя­

образца, подверженного действию радиации. В случае каналирования выбитых атомов т а к ж е происходит уве­

требуется энергия, на несколько процентов меньшая, чем

выведен из своего положення в решетке легче, чем любой другой. То ж е справедливо и для гексагональной решет­ ки: для смещения атомов вдоль гексагональной оси требуется большая энергия, чем для смещения в перпен­ дикулярном направлении, т. е. вдоль плоскости базиса. Это приводит в свою очередь к двум следствиям. Во-пер­ вых, в плоскости базиса могут возникать выбитые атомы на большом расстоянии от первичного акта столкнове­ ния, так как энергия смешения мала. Во-вторых, облу­ чение в направлении гексагональной оси приводит, по­ мимо уменьшения длины диполя Френкеля и связанного с этим уменьшения числа дефектов (обусловленного легкостью рекомбинации и самоотжига дефектов), к до­ полнительному уменьшению числа дефектов в связи с возрастанием затрат энергии на производство одного дефекта. Таким образом, при облучении образцов при низких температурах в направлениях плотной упаковки (без учета взаимодействия с дислокациями) можно ожи­ дать увеличения скорости накопления точечных дефек­ тов за счет возрастания устойчивости пар Френкеля, воз­ никающих под действием радиации.

Кроме того, количество смещенных атомов будет за­ висеть от плотности дислокаций, увеличение которой

(например, при деформации) приведет к увеличению ско­ рости радиационного повреждения. Об этом эффекте мы уже упоминали. Число точечных дефектов, возникающих по этому механизму, пропорционально плотности дисло­ каций. Линейная зависимость имеет место до тех пор, пока дислокации не экранируют друг друга. Наибольший дислокационный вклад равен почти 50% при плотности дислокаций ~ 101 3 слг2, и в этой области степень увели­ чения повреждения будет пропорциональна плотности дислокаций.

число точечных дефектов в кристалле. Число произве­ денных пар Френкеля пропорционально концентрации примесей до тех пор, пока значение атомов примеси, сме­ щенных фокусонами, не станет равно полному числу фокусонов. Затем степень повреждения становится по­ стоянной и независимой от концентрации примесей.

§ 7. Взаимодействие точечных дефектов с дислокациями

Дислокации могут играть роль ловушек для точечных дефектов. Дислокации могут служить т а к ж е источника­ ми и стоками для точечных дефектов. Следовательно, дислокации играют ведущую роль в установлении тер­ модинамически равновесной концентрации точечных де­ фектов и их комплексов.

Рассмотрим число скачков вакансий до исчезновения в стоке на плоскости базиса гексагональных металлов. Если координационное число равно Z, то вероятность элементар­

ло отдельных узлов, в которые вакансия может попасть за п шагов, равно S = б + В/г. Для больших п справедливо S = Вп. Величина В равна В=^ 0,7. Следовательно, S — 0,7 п.

Допустим, в плоскости базиса имеются стоки в виде дислокаций, пересекающих плоскость базиса. Такие стоки имеют неограниченную емкость. Пусть р — атомная доля таких стоков. Если р — вероятность сохранения дефекта после п переходов, то вероятность исчезновения дефекта равна произведению р на вероятность перехода, в новый узел

а и на вероятность р того, что последний окажется в непо­ средственном соседстве с ядром дислокации.

ется, в основном, взаимодействием дислокаций с радиа­

При очень низких температурах порядка единиц гра­ дусов Кельвина точечные дефекты, возникшие в резуль­ тате облучения, распределены более или менее равно­ мерно в объеме кристалла. Но уже в этих условиях на них оказывают определенное действие упругие поля дис­ локаций, которые контролируют весь объем кристалла. Проследим, что произойдет со сложным ансамблем внед­ ренных атомов, вакансий и дислокаций-при постепенном повышении температуры. Сначала при достижении тем­ пературы десятка или двух десятков градусов Кельвина начнут двигаться внедренные атомы, которые имеют очень малую энергию активации движения (примерно в десять раз меньшую, чем вакансии) . При этом вакансии и дислокации остаются неподвижными. Те и другие мо­ гут быть местом стока внедренных атомов. В первом случае при встрече внедренного атома с вакансией про­ исходит аннигиляция. Во втором случае дислокация при­ обретает порог, если внедренный атом осаждается не­ посредственно на ее линии, либо захватывает его в растянутую область решетки в районе ядра дислокации. Протяженность дислокаций и значительные упругие поля напряжений от них обусловливают то, что основными стоками для точечных дефектов являются дислокации. Вслед за внедренными атомами при повышении темпе­ ратуры начинают двигаться вакансии, которые имеют

у ж е стоки только в виде дислокаций. Они оседают на линиях дислокаций, либо останавливаются в сжатых об­ ластях решетки в районе ядра дислокации.

Таким образом, точечные дефекты, стремящиеся к дислокациям, могут иметь двойную судьбу. Одни могут аннигилировать на линии дислокации с образованием ступенек. Другие собираются в центре дислокации и не уничтожаются, а образуют вдоль линии дислокации поры атомного масштаба, либо, наоборот, комплексы внедрен­ ных атомов. Во всех указанных случаях дислокации за­ крепляются. В этом причина широко известного на прак­ тике радиационного упрочнения.

§ 8. Участие точечных дефектов во внутреннем трении

действием дислокаций с точечными дефектами. Фон внутреннего трения может быть связан т а к ж е с переори­ ентацией под действием внешних переменных напряже ­ ний комплексов точечных дефектов. Как будет показано в разделе комплексных дефектов, компактной конфигура­ цией является тривакансия. Один из атомов базисной плоскости в гексагональных кристаллах может сместить­ ся в центр комплекса, и тривакансия распределится по четырем атомным позициям, а, срелакенровавшись, атом займет центр тетраэдра. Другая возможность стабили­ зации тривакансии заключается в том, что происходит релаксация двух атомов из соседних плоскостей в поло­ жение, симметричное относительно фигуры октаэдра. Релаксация напряжений в процессе внутреннего трения

§ 9. Простейшие комплексы точечных дефектов

моновакансий минус энергии связи дивакансий. Энергия связи дивакансий в благородных металлах составляет приблизительно 0,06 от энергии Ферми. Следовательно, для этих металлов типичным значением энергии связи

Известно только, что релаксация одного или более ато­ мов в комплексе вакансий стабилизирует конфигурацию. Такого рода релаксация дает большой вклад в энергию связи.

Теоретические расчеты показывают, что у тривакансии

кансий. Следовательно, трмвакансия является наимень­ шим комплексом вакансий, обладающихся в то ж е вре­ мя самой высокой устойчивостью и малой подвижностью. Тривакансия являются, по сути дела, зародышем мини­ мального размера при образовании пор в материале.

в центре тетраэдра. Вокруг него находятся четыре «ча­ стичные вакансии». При движении такого комплекса в тем или ином направлении требуются большие пе­ рестройки и соответствующие атомы меняются функ­ циями.

Рассмотрим тривакансии в плоскости базиса гекса­ гональных металлов. Будем предполагать, что комплекс образовался путем объединения моновакансий, исходная концентрация которых в кристалле известна. На рис. 26 приведены семь геометрически различимых плоских кон­ фигураций тривакансии, включающих в себя 31 конфи : гурацию, не повторяющих друг друга путем операции простой трансляции в плоскости (0001).

Р и с . 26. Семь геометрических ры.ушчиых плоских конфигурации триваканспй, включающих в себя 31 конфигурацию не повторя­ ющегося путем операции простой трансляции.

сти спайности гексагональной решетки в различной сте­ пени нестабильны. З а меру нестабильности при этом рассмотрении мы принимали число диффузионных путей для превращения нестабильной конфигурации в стабиль­ ную.

на число вакансий, то получится удельная энергия образо­

се. Что касается энергии связи комплекса, то ее удельная величина, получаемая при делении энергии связи комплек­

са на число вакансий в комплексе, равна для дивакансии -yipCc, а для поливакансии п — порядка - у - Ес.

Таким образом, д л я плоской конфигурации поливаканоий увеличение числа вакансий в комплексе приводит к снижению удельной энергии образования комплекса