Источники дислокаций

Источники дислокаций в металле делят на две группы – связанные и несвязанные с пластической деформацией. Дислокации, в отличие от вакансий и межузельных атомов не являются термически равновесным дефектом, так как энергия образования дислокаций намного больше энергии формирования точечных дефектов.

Дислокации не могут зародиться вследствие теплового движения атомов. Они образуются в процессе кристаллизации и охлаждении металла (рисунок 33). В ходе кристаллизации металла на подложке из-за различия кристаллического строения металла и подложки возникают напряжения, которые могут релаксировать путём возникновения дислокаций на границе подложка – растущий кристалл. Такие дислокации называют структурными или дислокациями несоответствия. Повышение энергии при появлении дислокаций компенсируется уменьшением энергии упругой деформации сопряженных решёток металла и подложки.

Кристалл состоит из субзёрен (блоков), слегка взаимно разориентированных. Когда слегка разориентированные части кристалла срастаются, вертикальные атомные плоскости в месте срастания обрываются и на границе между ними возникают дислокации (рис.33.а).

Рисунок 33 –Схема образования дислокаций на границе блоков (а) и в месте скопления вакансий (б)

Если образование зародышей кристаллов происходит гетерогенным путём, на поверхность подложек могут выходить винтовые дислокации, т.е. готовые ступеньки, которые как бы продолжаются в растущий кристалл.

При охлаждении закристаллизовавшегося металла резко уменьшается равновесная концентрация вакансий, избыточные вакансии конденсируются, в результате чего появляются вакансионные диски. Когда диаметр вакансионного диска превышает некоторую критическую величину, под действием сил межатомного притяжения диск захлопывается и образуются дислокации противоположных знаков (рис.33.б). Это явление называют захлопыванием вакансионного диска. Неравномерное распределение в кристалле атомов примесей приводит к искажению решётки и возникновению упругих напряжений.

На рисунок 34 показаны схемы дислокационных источников. Дислокация зарождается на неметаллических включениях. В процессе быстрого охлаждения на границе металл – включение возникают напряжения, обусловленные различием коэффициентов термического сжатия. Уменьшение напряжения происходит путём образования дислокаций несоответствия и испускания дислокаций поверхностью раздела. Вблизи включений количество вакансий повышено, поэтому очень вероятно захлопывание вакансионных дисков, которые взаимодействуют с дислокациями, образовавшимися у поверхности раздела и движутся от включения. Конфигурация источников дислокаций, которые называются источниками Бароина-Херринга, зависит от типа первоначальной дислокации (рис.34.а, б).

Рисунок 34 – Схема действия дислокационных источников Бардина – Херринга в случае краевой дислокации (а), дислокации смешенного типа (б) и источника дислокаций Франка – Рида (в – ж)

Механизм образования дислокаций при деформировании был почти одновременно предложен физиками Франком и Ридом, поэтому источники дислокаций получили название источников Франка-Рида. Дислокация DD расположена в полости скольжения, совпадающей с плоскостью чертежа (рис.34.в). В точках D и Dдислокация закреплена. Под действием внешнего напряжения τ она начинает выгибаться (рис.34.г) и в какой-то момент принимает форму полуокружности. Дальнейшее расширение дислокационной петли в плоскости скольжения может происходить и при напряжениях меньшей величины. Около точек D и Dдислокация искривляется. Вертикальная стрелка показывает, что верхний участок дислокации движутся параллельно приложенному направлению – это участок краевой дислокации. Горизонтальные стрелки обозначают участки винтовой дислокации (рис.34.д). При таком закручивании наступает момент, когда спиралевидные части дислокации подходят друг к другу (рис.34.е) и соприкасаются. В месте соприкосновения встречаются участки дислокации противоположного знака, они взаимно уничтожаются, в результате чего одна дислокация разделяется на две – замкнутую петлю и внутренний отрезок (рис.34.ж). Под действием напряжения τ внешняя петля расширится соответственно перемещению её отдельных участков, имеющих различную ориентацию, а внутренний отрезок дислокации будет выгибаться вновь и повторит при перемещении цикл.

Один источник Франка-Рида может генерировать сотни дислокаций. При испускании каждой дислокации одна часть кристалла смещается относительно другой на величину вектора Бюргерса. Источниками дислокаций являются поверхностные дефекты (внешние поверхности, границы зёрен и их тройные стыки, границы субзёрен и двойников).

Количество дислокаций в кристаллах оценивается плотностью дислокаций ρ, под которой понимают суммарную протяженность дислокационных линий в 1см. Плотность дислокаций выражается в см, если длина дислокации измеряется в см. В тщательно выращенных монокристаллах ρ10- 10см; в хорошо отожженных монокристаллах 10-10см; в деформированном металле 10-10см.