Контрольные вопросы

1. Объясните, что нужно для того, чтобы произошло поперечное скольжение растянутых дислокаций.

2. Запишите стадии поперечного скольжения растянутых дислокаций.

3. Объясните, как происходит перестройка кристаллической решетки при двойниковании, где образуется линия двойникующей дислокации.

4. Дайте понятие сверхструктурной дислокации.

5. Объясните, что называют парной дислокацией в кристалле со сверхструктурой.

6. Опишите общие закономерности пересечения единичных дислокаций.

7. Опишите, как ведут себя пороги на дислокациях при их скольжении.

8. Покажите образование диполя и призматических петель при скольжении винтовой дислока­ции длинным порогом.

Лекция 14.Взаимодействие дислокаций с точечными

дефектами

План лекции

1. Взаимодействие дислокаций с примесными атомами

1.1.Атмосферы Коттрелла,

1.2. Атмосферы Снука,

1.3. Атмосферы Сузуки.

2. Взаимодействие дислокаций с вакансиями и межузельными атомами

14.1 Взаимодействие дислокаций с примесными атомами

14.1.1. Атмосферы Коттрелла.

Упругие поля напряжений дислокации и примесного атома вза­имодействуют, и примесный атом испытывает со стороны дис­локации силу притяжения. Причину этого притяжения легко понять, рассматривая строение кристалла в области краевой дислокации.

С одной стороны от плоскости скольжения расположена 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. Здесь им легче размещаться, чем в совершенной области решетки, где такие атомы создают поле значительных напряжений. Если атомы элемента, растворен­ного по способу замещения, по размеру больше атомов основ­ного металла, то они притягиваются к области гидростатиче­ского растяжения. Атомы элемента, растворенного по способу замещения и имеющие меньший размер, чем атомы основного металла, притягиваются к области гидростатического сжатия и размещаются в ней над краем экстраплоскости . Размещение их здесь дает выигрыш в энергии.

Энергия связи положительной краевой дислокации с при­месным атомом (разница между значениями энергии примес­ного атома в положениях вблизи дислокации и на бесконечно большом расстоянии от неё)

E = GbR²₀ε sinθ/r (14.1)

где r и θ­­­­­­­­–­­­­­­цилиндрические координаты примесного атома относительно прямой линии дислокации (θ=0 в направлении вектора Бюргерса b); G—модуль сдвига; ε=(R_п -R₀)/R₀, Rп–радиус примесного атома; R₀– радиус атома основы в случае раствора замещения, а в случае раствора внедрения–радиус такого жесткого шара, который, будучи внесен в то место ре­шетки, где расположен примесный атом, не вызовет объемных искажений.

Чем больше фактор размерного несоответствия ε, тем больше энергия упругого взаимодействия дислокации с примес­ным атомом.

Для атомов замещения с R_п<R₀ и всех атомов внедрения ε>0. Соответственно для таких атомов при 0<θ<π имеем sinθ>0, и энергия связи положительна, а при π<θ<2π имеем sinθ<0 и энергия связи отрицательна. Следовательно, атомы замещения с R_п>R₀ и все атомы внедрения притягиваются к области, находящейся под краем экстраплоскости (π<θ<2π). Для атомов замещения с R_п<R₀ε<0 и при 0<θ<π энергия связи отрицательна, а при π<θ<2π она положительна. Следо­вательно, атомы замещения с R_п<R₀ притягиваются к области над краем экстраплоскости (0<θ< π). Максимального значе­ния энергия связи достигает при θ=p/2 и q=3p/2. Атом внед­рения, например, будет стремиться занять положение под краем экстраплоскости (q=3p/2).

Формула (14.1) получена в предположении чисто упругого взаимодействия дислокации с примесным атомом. Поэтому ее нельзя использовать для оценки энергии связи примесного атома с дислокацией внутри ядра дислокации, где теория упру­гости сплошной среды неприменима.

Энергия связи краевой дислокации с примесными атомами обусловлена не только упругим (коттрелловским) взаимодей­ствием. В нее вносит вклад электрическое взаимодействие и взаимодействие с неупругими искажениями в ядре дислокации.

Область разрежения вблизи края экстраплоскости из-за из­бытка электронов имеет слабый отрицательный заряд, а об­ласть сжатия — положительный заряд. Краевая и смешанная дислокации являются слабым электрическим линейным дипо­лем. Поэтому существует электрическое взаимодействие между дислокацией и примесными атомами, несущими заряд. Это вза­имодействие было оценено количественно. В металлах электри­ческое взаимодействие дислокации с примесным атомом зна­чительно слабее, чем упругое. Неупругое взаимодействие в ядре дислокации количественно не оценено.

Общее и приближенное представление о величине энергии связи краевой дислокации с точечными дефектами разного вида дает табл. 3 (точечный дефект удален от дислокации на одно межатомное расстояние).

Примесные атомы внедрения значительно сильнее притяги­ваются к дислокации, чем атомы замещения.

Таким образом, притяжение атомов примесей, вызванное разными причинами, приводит к «осаждению» этих атомов в виде цепочки вдоль края экстраплоскости. Такая цепочка инородных атомов называется атмосферой Коттрелла.

Винтовая дислокация не создает областей гидростатического сжатия и растяжения и поэтому не способна притягивать де­фекты, вокруг которых поле искажений имеет чисто сфериче­скую симметрию.

Если растворенный атом искажает решетку в разных на­правлениях неодинаково, то он может взаимодействовать не только с гидростатической, но и с тангенциальной составляю­щей поля напряжений. Такой атом должен притягиваться к вин­товой дислокации. Именно так ведут себя атомы примесей внедрения в о.ц.к, решетке. Например, атомы углерода в a- железе находятся в октаэдрических пустотах, занимая положения посередине ребер или в центре граней. Атом внедрения в центре грани (010), окруженный шестью со­седями, находится на расстоянии а/2 от двух соседей в направ­лении [010] и на расстоянии аÖ2/2 от четырех соседей в дру­гих направлениях. Поэтому атом, внедренный в центре грани (010), раздвигая ближайших соседей, несколько удлиняет эле­ментарную ячейку в направлении [010]. В общем случае, ко­гда внедряемый атом в октаэдрической пустоте о.ц.к. решетки находится в центре грани {100} или посередине ребра <100>, он тетрагонально искажает элементарную ячейку, удлиняя ее в на­правлении <100>.

Тетрагональные искажения обусловливают взаимодействие примеси внедрения в о.ц.к. решетке с полем касательных на­пряжений вокруг винтовой дислокации. Результатом такого взаимодействия может стать уменьшение касательных напряже­ний и соответственно притяжение атомов внедрения к винто­вой дислокации. Считают, что это притяжение не слабее, чем к краевой дислокации.

Смешанная дислокация притягивает к себе любые атомы, в том числе и атомы со сферической симметрией поля иска­жений, так как смешанная дислокация имеет краевую компо­ненту. Чем ближе к 2° угол между линией смешанной дислокации и ее вектором Бюргерса, тем сильнее притяжение к ней атомов со сферической симметрией поля напряжений.

В растянутой винтовой дислокации в г.ц.к. решетке по край­ней мере одна из частичных дислокаций должна иметь краевую компоненту. Поэтому в г.ц.к. решетке атомы примеси, несмотря на сферичность поля напряжений вокруг них, притягиваются к растянутой винтовой дислокации.

В условиях термодинамического равновесия при темпера­туре Т в точке, для которой характерна энергия связи Е, кон­центрация примесных атомов около дислокации. Чем дальше от дислокации, тем меньше энергия упругого притяжения примеси к дислокации (см. формулу (14.1)) и меньше, соответственно, концентрация притянутой к дислока­ции примеси. На расстояниях более 3—5 межатомных тепловые флуктуации размывают атмосферу Коттрелла.

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

Рассмотрим влияние температуры на концентрацию примес­ных атомов в атмосфере Коттрелла в положениях, характери­зующихся максимальной энергией связи дислокации и примес­ного атома (E_max), например под краем экстраплоскости для примеси внедрения или примеси замещения, у которой размер атомов больше, чем v основного металла. (14.2)

Для сплава данного состава (С₀ и Emax неизменны) СE_max зависит только от температуры. При понижении температуры СE_max возрастает, наступает такой момент, когда все возмож­ные положения с Еmax для примесных атомов вдоль линии дис­локации заняты (при условии, что для этого хватает общего количества примесных атомов в сплаве). Такую атмосферу Коттрелла называют насыщенной или конденсированной. У нее СE_max »1 в отличие от разбавленной атмосферы, у которой СE_max <<1.

Подставив в формулу (14.1) значение СE_max=1, получим выражение для температуры конденсации Тк, ниже которой коттрелловская атмосфера становится насыщенной:

(14.3)

Энергия связи с дислокацией атомов внедрения значительно выше, чем атомов замещения (см. табл. 3), и поэтому при одинаковой общей концентрации Со в растворах внедрения Тк выше, чем в растворах замещения- Иными словами, в раство­рах замещения при нагревании коттрелловская атмосфера пе­рестает быть насыщенной при более низких температурах.

Чем больше плотность дислокаций, тем больше требуется атомов примеси, чтобы образовались насыщенные атмосферы. Концентрация примесных атомов, расположенных в виде не­прерывных одноатомных цепочек вдоль линий дислокаций

с=ρа², (14.4)

где ρ—плотность дислокаций; а—межатомное расстояние.

Если в отожженном металле плотность дислокаций порядка 10⁸ см ^-2, а в наклепанном 10¹¹ см ^-2, то соответственно с»10^-5 и 10^-2 % (ат.). Следовательно и в сильно наклепанном металле технической чистоты количество атомов примесей достаточно, чтобы они могли создать насыщенные атмосферы на всех дис­локациях при температурах ниже Тк. Например, в железе при­меси углерода и азота, растворенные по способу внедрения (Еmax»0.5 эВ), при комнатной температуре образуют насыщен­ные атмосферы.

Низкие значения Еmax в растворах замещения с г.ц.к. ре­шеткой могут компенсироваться высокой общей концентрацией раствора С₀, и в этом случае температура Тк также может ока­заться довольно высокой. Например, в a-латуни, содержащей 1 % (ат.) Zn, при Емах=0,1 эВ Тк»ЗОО К. т. е. при комнатной температуре атмосферы вокруг дислокаций насыщены атомами цинка.