Контрольные вопросы

1. Объясните образование винтовой дислокации на фронте кристаллизации.

2. Объясните, что служит подложкой для зарождения кристалла.

3. Объясните, какие дислокации называют структурными или дислокациями несоответст­вия.

4. Объясните образование дислокаций в полностью затвердевшем металле в непосредст­венной близости от фронта кристаллизации и вдали от него.

5. Объясните возникновение дислокации при концентрации напряжений в отдельных уча­стках кристаллов (около включений, трещин, границ двойников и т.д.).

6. Объясните, что называют дислокационной сеткой.

7. Объясните механизм размножения дислокаций в процессе пластической деформации.

8. Объясните, что является зоной при размножении дислокаций при пластической дефор­мации.

9. Объясните, как называется напряжение, требующееся для выгибания линии дислокации в полуок­ружность.

10. Объясните, как ведет себя замкнутая дислокационная петля.

11. Объясните, почему при напряжении, действующем в одном направлении, сначала спи­ральные участки дислокации, а затем замкнутая петля распространяются во все стороны, в том числе и в направлении прямо противоположном приложенному на­пряжению.

12. Объясните источник размножения дислокаций – R дислокация, возникающих в резуль­тате захлопывания вакансионных дисков.

13. Объясните образование источника Франка-Рида при двойном поперечном скольже­нии.

Лекция 16. Границы зерен и субзерен План лекции

1. Границы кручения и наклона

2. Малоугловые границы

3. Высокоугловые границы

4. Специальные и произвольные границы

5. Зернограничные дислокации и ступеньки

16.1.Границы кручения и наклона

Границей зерен, а также субзерен называют поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией. Эта поверхность является дву­мерным дефектом, имеющим макроскопические размеры в двух измерениях и атомные—в третьем измерении. Двумерный де­фект может быть плоским.

а 6

Рис. 16.1 Границы наклона (а) и кручения (б)

Взаимную ориентацию решеток соседних зерен часто харак­теризуют, указывая общее для обоих зерен кристаллографиче­ское направление (uvw) и угол поворота q вокруг него, который приводит к параллельности решеток соседних зерен. Соответ­ствующая условная форма записи: q (uvw).

Если ось вращения лежит в плоскости границы зерен (суб­зерен), то такую границу называют границей наклона (рис. 16.1, а), а если ось вращения перпендикулярна плоскости гра­ницы, то мы имеем дело с границей кручения (рис. 16.1,6), В более общем случае граница смешанного типа состоит из элементов и наклона, и кручения.

Границы с разориентацией соседних зерен менее ~4 отно­сят к малоугловым, а с большей разориентацией – к высокоугловым (большеугловым).

16.2. Малоугловые границы

Малоугловые границы образованы системами дислокаций. Решетки двух зерен или субзерен упруго сопрягаются, за исключением мест, где оканчиваются неполные атомные плоскости, т. е. где находятся краевые дислокации. Такая граница является стенкой дислокаций одного знака. Линии дислокаций перпендикулярны плоскости чертежа. Два соседних зерна или субзерна симмет­рично наклонены по отношению к плоскости границы. поэтому такую малоугловую границу на­зывают симметричной границей наклона.

Рис. 16.2. Несимметричная граница на­клона

Из геометрии симметричной границы наклона на рис. 16.1,6 следует, что расстояние между дислокациями в стенке D, вектор Бюргерса их и угол разориентировки зерен q связаны сле­дующим соотношением: b/2= Dsinq/2.

При малых углах sin q»q, тогда

D=b/q, (16.1)

Чем больше угол разориентировки, тем меньше расстояние между дислокациями в стенке. При углах разориентировки бо­лее ~10° указанная дислокаци­онная модель неприменима для описания строения границы зе­рен, так как дислокации распо­лагаются очень близко одна к другой и теряют свою индивиду­альность (их ядра сливаются). Поэтому к малоугловым или дис­локационным относят межзеренные границы с углом разориен­тировки не более 10°. Соседние субзерна внутри одного зерна обычно разориентированы на угол не более 1°. Поэтому все субзеренные (блочные) границы малоугловые.

Если малоугловая граница лежит несимметрично, то строе­ние ее усложняется, так как на ней оканчиваются две группы плоскостей, образующие две серии краевых дислокаций (рис. 16.2).

Малоугловая граница кручения образована рядами винто­вых дислокаций (на рис. 16.3 черные кружки обозначают атомы ниже плоскости границы, а светлые–выше ее). Граница не может состоять из одного ряда параллельных винтовых дисло­каций, так как такой ряд был бы нестабильным. Граница кру­чения образована сеткой двух взаимно перпендикулярных рядов винтовых дислокаций. Как и в малоугловой границе наклона, здесь также между участками с несовершенной решеткой (об­ластями ядер дислокаций) имеются участки упругого сопряже­ния решеток соседних зерен. На рис. 16.3 такие участки распо­ложены внутри ячеек дислокационной сетки. Рассмотренная дис­локационная модель границы кручения, как и границы наклона, применима только при малых углах разориентировки соседних зерен, так как и в этом случае D=b/q (D—расстояние между дислокациями одной серии).

Рис. 16.3 Граница кручения

На рис. 16.2 и 16.3 показаны простейшие дислокацион­ные модели строения границ. В более общем случае малоугло­вая граница содержит ряды дислокаций разной ориентации и с разными векторами Бюргерса.

Симметричная граница наклона, являющаяся стенкой крае­вых дислокаций одного знака с параллельными векторами Бюргерса и параллельными плоскостями скольжения, может легко перемещаться при коллективном скольжении всех дисло­каций, входящих в стенку. Такую границу называют сколь­зящей.

В более общем случае малоугловой границы она не может скользить из-за непараллельности плоскостей скольжения со­ставляющих ее дислокаций.

Миграция границы может происходить только диффузион­ным путем, когда в зависимости от ориентации одни экстрапло­скости достраиваются, а другие сокращаются, растворяясь с кромки. Например, на рис. 2 миграция в горизонтальном на­правлении несимметричной границы наклона как единого це­лого должна быть связана с переползанием дислокаций, век­торы Бюргерса которых перпендикулярны направлению миг­рации.

Угол разориентировки зерен или субзерен q определяет энергию малоугловой границы:

Егp=Е₀q(А-lnq), (16.2)

где Е₀ и А–константы (Е₀ пропорциональна модулю сдвига и вектору Бюргерса). Согласно этой формуле и многим экспе­риментальным данным с увеличением q энергия малоугловой границы непрерывно возрастает.

Малоугловые границы—стенки дислокаций возникают при росте кристаллов из расплава (см, рис. 15.2), при пластической деформации и при дорекристаллизационном отжиге после холодной деформации. Образование стенок дислокаций, приводя­щее к подразделению кристалла на субзерна–полигоны (мно­гоугольники), было названо полигонизацией (впоследствии полигонизацией стали называть более общий процесс перерас­пределения дислокаций, приводящий к образованию областей кристалла произвольной формы, свободных от дислокаций и разделенных малоугловыми, границами). Если, например, до отжига в изогнутом кристалле дислокации были хаотично рас­пределены по плоскостям скольжения (рис. 16.4, а), то в ре­зультате отжига при полигонизации они выстраиваются одна над другой в вертикальные стенки (рис. 16.4,6). Как видно из сопоставления рис. 16.4, а и б, для выстраивания в стенку необ­ходимо и скольжение, и переползание дислокаций.

Поля упругих напряжений отдельных дислокаций в стенке, накладываясь, в значительной мере взаимно уничтожаются (на рис. 4,6 под областью растяжения от одной дислокации на­ходится область сжатия от другой дислокации). Этим и обеспе­чивается стабильность стенки. В результате поле упругих на­пряжений бесконечной стенки, внутри которой дислокации от­стоят одна от другой на расстоянии D, становится ничтожно малым при удалении по обе стороны от стенки на расстояние больше D.

Рис. 16.4. Схема полигониуации: а — хаотическое расположение краевых дисло­каций в изогнутом кристалле; б — вертикаль­ные стенки из дислокаций после полигони­зации

Малоугловая граница притягивает к себе точечные дефекты, в том числе и примесные атомы, вследствие упругого взаимо­действия с ними дислокаций, составляющих границу. Это при­тяжение, как вытекает из изложенного выше, реализуется в зоне, простирающейся всего на несколько меж­атомных расстояний от бесконечной границы. Примесные атмосферы тормозят миграцию мало­угловых границ, стабили­зируя субструктуру-

Малоугловыс границы выявляются на шлифах в виде цепочек ямок трав­ления, каждая из которых должна соот­ветствовать дислокации в стенке дислокаций (см. рис. 15.2,6). Под элект­ронным микроскопом на фольгах границы субзе­рен выявляются в виде сеток дислокаций.