книги из ГПНТБ / Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие

30 Г л . 3. Свойства реакторных материалов

сталл имеет п вертикальных атомных плоскостей. В результа­ те показанного на рис. 3.2 сдвига на одно межатомное расстоя­ ние п вертикальных атомных плоскостей, расположенных выше плоскости скольжения, оказываются напротив (п—1) верти­ кальных атомных плоскостей, расположенных ниже плоскости

меньше соседей, чем внутри совершенной решетки. Вдоль края экстраплоскости тянется область с несовершенной решеткой.

Область несовершенства кристалла вокруг края экстра­ плоскости называется краевой дислокацией. В одном измере­

ляющейся плоскостью чертежа на рис. 3.3, обозначается зна­ ком J_. Совокупность таких центров в параллельных атомных плоскостях образует линию дислокации. Если экстраплоскость вводится в верхнюю часть кристалла, то дислокацию назы­ вают положительной, а если в нижнюю, то отрицательной. Положение центра ядра отрицательной дислокации обозначают знаком Т . Различие между положительной и отрицательной краевыми дислокациями чисто условное. Знак дислокаций имеет большое значение при их взаимодействии. Линия крае­ вой дислокации перпендикулярна к вектору сдвига.

Таким образом, под дислокацией понимают линейное несо­ вершенство, образующее внутри кристалла границу зоны сдви­ га. Эта граница определяет ту часть плоскости скольжения, где

В каждый момент времени в смещении участвуют не все атомы, находящиеся по обе стороны от плоскости скольжения, а лишь сравнительно небольшая группа атомов. Для описания такого механизма и было использовано представление об особом типе

краевой дислокации при сдвиге на одно межатомное расстоя­ ние (рис. 3.4). В исходном состоянии положение атомов обо­ значено светлыми кружочками, а в конечном— черными. Что­ бы дислокация из исходного положения 1 переместилась в со­ седнее положение 14, не нужно сдвигать всю верхнюю полови­

щаются атомы не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости. Незначительное перемещение атомов в области дислокации приводит к переме­ щению самой дислокации на одно межатомное расстояние. При этом целая плоскость 7—17 разрывается на две части. Ее нижняя часть объединяется с исходной экстраплоскостыо в це­ лую плоскость 8—6, а верхняя — превращается в новую экстра-

32 Гл. 3. Свойства реакторных материалов

плоскость 14—18. Под действием касательных напряжений дис­ локация перемещается в плоскости скольжения ММ путем ука­ занных выше перемещений атомов. Такое движение дислокации называют скольжением или консервативным движением. В этом случае не происходит диффузионного перемещения атомов. Скорость скольжения дислокации возрастает с приложенным напряжением и изменяется от ІО-7 м/сек при низких напряже­ ниях до ІО4 м/сек при высоких. Однако скорость скольжения

На рис. 3.4 в результате скольжения дислокации справа до положения 1 произошел сдвиг справа налево части кристалла, лежащего выше плоскости ММ. На правой грани кристалла образовалась ступенька сдвига. Если под действием сдвигаю­ щей силы дислокация будет скользить влево в положение 14 и далее, то сдвиг будет охватывать все большую часть плоско­ сти скольжения. Когда дислокация выйдет на левую боковую грань кристалла, на ней образуется ступенька.

В рассматриваемом случае дислокация перемещалась в своей плоскости скольжения. Однако дислокация может переме­ щаться из своей плоскости скольжения в выше - или нижележа­ щую соседнюю плоскость. Механизм такого перемещения, назы­ ваемого переползанием, принципиально отличается от механиз­ ма скольжения. При перемещении положительной краевой ди­ слокации (см. рис. 3.2) из своей плоскости скольжения в выше­ лежащую соседнюю плоскость необходимо, чтобы цепочка ато­ мов на самой кромке экстраплоскости отделилась от экстрапло­ скости и ушла в глубь кристалла. Такое растворение кромки экстраплоскости (положительное переползание) является диф­ фузионным процессом. Возможны два варианта: 1) при подходе вакансий к краевой дислокации атомы с кромки экстраплоско­ сти перемещаются в соседние вакантные места и 2) атомы с кромки переходят в соседние межузлия и диффундируют от ди­ слокации. Первый вариант более вероятен, если учесть, что в металле в результате пластической деформации, облучения, термической обработки часто появляется избыточная концент­ рация вакансий, а энергия образования межузельных атомов внедрения относительно велика.

Перемещение положительной дислокации вниз в соседнюю плоскость скольжения означает, что к краю экстраплоскости присоединился один атомный ряд. Такая достройка экстрапло­ скости (отрицательное переползание) может осуществляться двумя путями: 1) присоединением атомов из межузлий, диф­ фундирующих к дислокации, и 2) присоединением соседних атомов, находящіеся в регулярных положениях, с одиовремен-

графической плоскости, содержащей линию дислокации, по лю­ бой поверхности, оканчивающейся этой линией. Винтовая дис­ локация в отличие от краевой не определяет однозначно пло­ скость сдвига.

Схема атомного механизма перемещения винтовой дислока­ ции показана на рис. 3.8. Расположение атомов и обозначения

Рис. 3.8. Смещение атомов при скольжении узкой (а) и ши­ рокой (б) винтовой дислокации слева направо на одно меж­ атомное расстояние.

те же, что и на рис. 3.7. Сплошные линии соединяют атомы до скольжения. Область несовершенства, внутри которой атомы образуют винтовую дислокацию, находится в исходном состоя­ нии между атомными рядами 5 и 7 и после смещения на один период решетки вправо между атомными рядами 6 и 8. Пунк­ тирные линии соединяют атомы после перемещения. Атомы над плоскостью чертежа (белые кружочки) под действием сдвигающих напряжений, обозначенных верхней стрелкой, сме­ щаются вниз. Атомы под плоскостью чертежа (черные кру-

жочкн) под действием сдвиговых напряжений, обозначенных нижней стрелкой, смещаются вверх.

Отметим следующие три обстоятельства. Во-первых, дисло­ кация перемещается на один период решетки вправо в резуль­ тате передвижения атомов только внутри области несовершен­ ства. Атомы вне области несовершенства остаются на своих местах. Во-вторых, дислокация перемещается на один период решетки вследствие передвижения атомов внутри ядра дисло-

Рис. 3.9. Схема сдвига правой части кристалла относи­ тельно левой на одно межатомное расстояние при про­ хождении винтовой дислокации от передней грани кри­ сталла до задней.

кадии всего лишь на расстояние, меньшее половины периода решетки. В-третьих, в области ядра винтовой дислокации ато­ мы смещаются в направлении действующих на них сил, а сама дислокация перпендикулярна к этому направлению. Последнее отличает винтовую дислокацию от краевой.

При скольжении краевой дислокации зкстраплоскость изме­ няет свое положение в направлении действующих касательных напряжений. Перемещение винтовой дислокации увеличивает площадь ступеньки сдвига. На рис. 3.8 после скольжения дис­ локации часть плоскости скольжения, где сдвиг уже совер­ шился, находится между атомными рядами 1 и 6, а до сдвига между рядами 1 и 5. На рис. 3.9 показан сдвиг на одно меж­ атомное расстояние при прохождении винтовой дислокации че­ рез весь кристалл от передней грани до задней. Винтовая дис­ локация может скользить - в любой кристаллографической плоскости, которая содержит линию дислокации и вектор сдвига.

В отличие от краевой винтовая дислокация может перехо­ дить из одной атомной плоскости в другую без переноса мас­ сы — скольжением. Если на пути движения винтовой дислока­ ции в плоскости Р встречается какой-либо барьер, то дислока­ ция начинает скользить в другой атомной плоскости R, нахо­ дящейся под углом к первоначальной плоскости скольжения Р (рис. 3.10). Этот процесс называется поперечным скольжением. Пройдя некоторый путь в плоскости поперечного скольжения

И удалившись от барьера, винтовая дислокация может перейти

ватомную плоскость S, параллельную первоначальной плоско­ сти скольжения Р. Многократное повторение этого процесса называют множественным поперечным скольжением. Напри­

линия ВС на рис. 3.5). Следовательно, линия дислокации долж­ на замыкаться внутри кристалла или оканчиваться на его по­ верхности. В общем случае в плоскости скольжения линия дис-

Рис. 3.U. Скольжение смещенной дислокации АС через кристалл со сдви­ гом на одно межатомное расстояние Ь.

локации является кривой (линия АС на рис. 3.11). Отдельные малые участки этой кривой имеют краевую или винтовую ори­ ентацию, но большая часть ее не перпендикулярна (как крае­ вая) и не параллельна (как винтовая) вектору сдвига. В послед­ нем случае имеем смешанную дислокацию. Вблизи точки С дис­ локация чисто краевая, так как линия ее перпендикулярна к вектору сдвига. Вблизи точки А (см. рис. 3.11) дислокация чисто винтовая, поскольку линия ее параллельна вектору сдвига.

Под действием приложенных касательных напряжений зона сдвига, заштрихованная на рис. 3.11, расширяется. В общем случае отдельные участки смешанной дислокации выходят на поверхность кристалла не одновременно. На рис. 3.11 линия смешанной дислокации заканчивается на грани кристалла. Но она может образовать и замкнутые плоские петли внутри кристалла.

Отдельные участки дислокационной петлѣ имеют чисто краевую или чисто винтовую ориентацию, а большая часть — смешанную. Плоская петля смешанной дислокации, как и лю­ бая дислокация, является границей сдвига. В более общем случае дислокация может образовать замкнутую петлю, не ле­ жащую в одной плоскости. Участок петли, имеющий винтовую ориентацию, путем поперечного скольжения может перейти в атомную плоскость, параллельную первоначальной плоскости скольжения.

Контур и вектор Бюргерса. Мерой искаженности кристалли­ ческой решетки, обусловленной присутствием в ней дислока­ ции, является вектор Бюргерса. Он определяет энергию дисло­ кации, действующие на дислокацию силы, величину связанно­ го с дислокацией сдвига, влияет на подвижность дислокации.

рис. 3.5), то вектор сдвига п является вектором Бюргерса. Век­ тор сдвига определяет величину и направление смещений ато­ мов в той области, где сдвиг уже произошел, т. е. определяет степень искаженности решетки, связанной с присутствием в ней дислокации.

Однако не все дислокации обусловлены сдвигом. Не все дислокации можно определить через вектор сдвига. Более об­ щим является определение вектора Бюргерса не как вектора

вызванной дислокацией, сравнивают несовершенный кристалл, содержащий дислокацию, с совершенным кристаллом.. Для этого используют контур Бюргерса — замкнутый контур произ­ вольной формы, построенный в реальном кристалле путем по­ следовательного обхода дефекта от атома к атому в совер­ шенной области кристалла.

На рис. 3.12, а показано построение контура Бюргерса во­ круг краевой дислокации. От исходной точки А в совершенной области кристалла проводится линия от атома к атому. Зам­ кнутая линия ABCD, соединяющая атомы совершенной обла­ сти решетки и охватывающая краевую дислокацию, является контуром Бюргерса. Проведем аналогичный контур в совер­ шенном кристалле, не имеющем дислокации (рис. 3.12, б). Это