Происхождение дислокаций

План лекции

Лекция 15. Образование дислокаций

1. Происхождение дислокаций.

2. Размножение дислокаций при пластической деформации.

Источник Франка – Рида

Энергия дислокаций составляет несколько электрон-вольт на атом. Поэтому термическая активация не может способство­вать образованию дислокаций (в противоположность образова­нию точечных дефектов).

Сразу же после кристаллизации металлические моно- и поликристаллы содержат, как правило, очень большое число дис­локаций. Следовательно, дислокации могут возникать непосред­ственно у фронта кристаллизации или же при охлаждении кристаллов после исчезновения жидкой фазы. Ниже кратко рас­смотрены шесть возможных механизмов образования дисло­каций.

1. На фронте кристаллизации легко себе представить обра­зование винтовой дислокации. Когда кристалл, не содержащий дислокаций, растет путем присоединения атомов к ступеньке на новом слое, то этот слой, полностью достраиваясь, сам себя изживает. Для образования нового атомного слоя требуется возникновение на гладкой поверхности кри­сталла «двумерного» зародыша, что является самым узким зве­ном процесса роста совершенного кристалла и требует больших пересыщений (переохлаждении). Это звено отсутствует, если ра­стет кристалл, содержащий винтовую дислокацию. Присоединение атомов к ступеньке па его поверхности приводит к вращению ступеньки. Поскольку атомы откладыва­ются на винтовую поверхность, то ступенька все время продол­жает существовать, облегчая тем самым присоединение атомов к кристаллу и его рост.

Кристалл, содержащий винтовую дислокацию, представляет собой атомную плоскость, закрученную по спирали. Как же возникает такое закручивание в первый момент роста, при образовании зародыша? Известно, что, как правило, зарождение кристаллов несамопроизвольно. Кристаллы зарождаются на го­товой подложке, которой служат стенки изложницы и мельчай­шие твердые частицы, взвешенные в расплаве. На поверхность таких подложек выходят винтовые дислокации, т. е. здесь име­ются готовые ступеньки, к которым и присоединяются атомы из кристаллизующегося расплава. Таким образом, винтовая дисло­кация из подложки как бы «прорастает» в образующийся кри­сталл.

2. Другая причина зарождения дислокаций в период кри­сталлизации — возникновение напряжений, Когда происходит ориентированное нарастание (эпитаксия) кристалла на под­ложку, то сопряжение двух решеток из-за имеющегося всегда небольшого их несоответствия вызывает упругие напряжения в подложке и эпитаксиальном слое. Когда толщина эпитаксиального слоя достигает некоторой критической величины, ком­пенсация несоответствия решеток подложки и растущего кри­сталла становится энергетически более выгодной не только в результате упругой деформации по всей поверхности сопря­жения двух решеток, но и частично за счет дислокаций, возни­кающих на этой поверхности (рис. 15.1). Такие дислокации на­зывают структурными, эпитаксиальными, или дислокациями не­соответствия. Чем больше степень несоответствия двух решеток, тем выше плотность эпитаксиальных дислокаций. Повышение энергии из-за образования дислокаций компенсируется сниже­нием энергии упругой деформации сопряженных решеток.

3. Из-за сегрегации примесей при кристаллизации образу­ются смежные слои разного состава с несколько различающи­мися межатомными расстояниями. Эта разница вызывает появ­ление упругих напряжений. При определенной разнице в меж­атомных расстояниях соседних слоев энергетически выгодным может стать их сопряжение с участием структурных дислока­ций на границе между соседними слоями.

4. Дислокации могут возникать во время кристаллизации из-за разных случайностей при росте кристаллов. Эти случай­ности приводят к образованию мозаичной структуры—кристалл состоит из субзерен, слегка взаимно разориентированных. Одна из возможных причин образования субзерен—изгиб очень «нежных» ветвей дендрита из-за конвекционных токов, гради­ента температур и действия других факторов. Когда слегка разориентированные ветви одного дендрита срастаются, на границе между ними возникают дислокации. На рис. 15.2 показан про­стейший случай срастания двух симметрично разориентированных частей одного кристалла (или разных кристаллов). Верти­кальные атомные плоскости в месте срастания не доходят до низа кристалла. Вокруг края каждой такой плоскости нахо­дится краевая дислокация. На рис. 15.2,6 поверхность сраста­ния представляет собой стенку из положительных дислокаций.

Рис. 15.1 Дислокация несоответ­ствия на границе растущего кристалла К с подложкой П; а_к¹а_п

5. Дислокации могут возникать в полностью затвердевшем металле в непосредственной близости от фронта кристаллиза­ции и вдали от него. Считают, что основным здесь является вакансионный механизм образования дислокаций. Равновесная концентра­ция вакансии резко уменьшается с по­нижением температуры от точки кри­сталлизации, При ускоренном охлаж­дении кристалл сильно пересыщается вакансиями. Избыточ­ные вакансии конденсируются в дискообразныс образования, параллель­ные плоскости плотнейшей упаковки. Диск может быть толщиной в один, два или три слоя вакансий. Когда диаметр вакансионного диска превы­шает некоторую критическую вели­чину, то под действием сил межатом­ного притяжения его стороны сбли­жаются и в результате захлопывания диска образуется сидячая дислокация Франка, которая может трансформиро­ваться в скользящую призматическую–дислокацию.

 

Рис. 15.2. Образование стенки дислокаций при срастании зерен во время кристаллизации: а—до срастания; б—после срастания

Захлопывание дисков вакансий с образованием дислокацион­ных петель происходит не только при ускоренном охлаждении по окончании кристаллизации, но, естественно, и при охлажде­нии после специального нагрева под закалку.

При ядерном облучении металлов дислокационные петли воз­никают на границах плоских скоплений межузельных атомов.

6. Дислокации зарождаются при концентрации напряжений в отдельных участках кристаллов (около включений, трещин) до величин порядка G/30. Например, при охлажде­нии металла из-за разного термического сжатия включения и кристалла около их поверхности раздела могут возникнуть уп­ругие напряжения, достаточные для самопроизвольного зарож­дения дислокационных петель. При зарождении дислокацион­ных петель и удалении их от включения происходит релаксация (разрядка) напряжений.

7. Одним из основных источников дислокаций при пластиче­ской деформации являются границы зерен.

Дата добавления: 2014-01-07