Зернограничные дислокации

Первоначально представления о зернограничных дислокациях (ЗГД) были введены для того, чтобы описать атомный меха­низм зернограничного скольжения (проскальзывания) — сме­щения одного зерна относительно другого под действием напряжений. Граница зерна имеет, как отмечалось, периодическое строение. ЗГД отделяет ту часть межзеренной границы, где сдвиг уже прошел и восстановилось исходное периодическое строение границы, от той части, где он еще не начался. На рис. 16.11 показана краевая ЗГД, являющаяся областью линей­ного несовершенства на границе зерен вокруг края двух «лиш­них» плоскостей в верхнем зерне. Вектор Бюргерса такой ЗГД лежит в плоскости границы, и ЗГД может скользить в этой плоскости. При скольжении ЗГД в каждый момент времени в сдвиге участвуют только те атомы, которые находятся в об­ласти ядра дислокации. Продви­жение одной дислокации по по­верхности раздела соседних зе­рен вызывает их взаимное сме­щение на величину вектора Бюр­герса ЗГД. Здесь полная анало­гия со скольжением дислокаций внутри зерен, кото­рые, для отличия от зерногра­ничных, называют решеточными дислокациями.

Кроме полных ЗГД, после продвижения которых восста­навливается исходная структура высокоугловой границы существуют частичные ЗГД, скольжение которых приводит к изменению строения границы.

Рис. 16.11 Модель строения границы зерен со скользящей зернограничной дислокацией (стрелками отмечены две экстраплоскости)

Так как периодическая структура границы зависит от вза­имной кристаллографической ориентации зерен и ориентации самой границы, то ЗГД могут иметь разнообразные векторы Бюргерса. Вектор Бюргерса ЗГД в специальных границах тем меньше, чем больше S.

Консервативное движение (скольжение) ЗГД, нс связанное с переносом массы, возможно только на плоских участках гра­ницы зерен, па которых вектор Бюргерса и линия ЗГД нахо­дятся в плоскости границы. Плоские участки (фасетки) наблю­дают под микроскопом. Так как вся граница зерен не идеально плоская, то ЗГД могут перемещаться на значительные расстоя­ния вдоль границы только при сочетании скольжения и переползания. В произвольных границах ЗГД движутся легче, чем в специальных, так как диффузия, необходимая для пере­ползания, в более рыхлых произвольных границах идет бы­стрее.

Переползание ЗГД связано с испусканием или абсорбцией вакансий. Соответственно высокоугловая граница, содержащая такие ЗГД, служит эффективным источником или стоком то­чечных дефектов, причем произвольная граница является более эффективным источником или стоком вакансий нежели специ­альная.

Зернограничныс дислокации подразделяют на два типа: собственные (вторичные) и несобственные (внесенные, избы­точные, сторонние) ЗГД.

Собственные ЗГД, присущие данной границе, являются не­отъемлемым элементом ее структуры и не имеют дальнодействующего поля напряжений.

Сетка собственных ЗГД выполняет аккомодационную роль. приспосабливая структуру границы к конкретной разориентировке зерен, несколько отличающейся от той, которая точно со­ответствует существованию границы совпадающих узлов. Такая сетка собственных ЗГД обеспечивает минимум энергии высокоугловой границы при отклонении ориентации решеток соседних зерен от специальной. В этом смысле собственные ЗГД явля­ются «равновесными» линейными дефектами структуры высокоугловой границы. Собственные ЗГД на границе между зернами одной фазы фактически выполняют ту же роль, что и дисло­кации несоответствия на межфазной границе.

Максимальный угол отклонения (в градусах) от специаль­ной ориентации, когда еще возможна аккомодация с помощью собственных ЗГД, можно найти из формулы

. (16.3)

Если iDq£Dq_m, то границу зерен можно считать близкой к спе­циальной, а если Dq£iDq_m, то граница—произвольная.

Расстояние между собственными ЗГД в их равновесной сетке обратно пропорционально углу отклонения от специаль­ной ориентации. Здесь полная аналогия с влиянием разориентировки на расстояние между дислокациями в малоугловой гра­нице (формулу (1)), в которой дислокации, обеспечивающие минимум энергии сопряжения слегка разориентированных решеток являются не специфическими зсрнограничными, а обычными решеточными (для малоугловой границы S=1). Экспериментально сетку собственных ЗГД пока наблюдали только при сравнительно небольших значениях S и малых отклонениях от особых разориентировок, так как уменьшение вектора Бюргерса с увеличением S и уменьшение расстояния между зернограничными дислокациями с увеличе­нием угловых отклонений от специальных разориентировок за­трудняют или делают совсем невозможным наблюдение собст­венных ЗГД.

Несобственные (внесенные) ЗГД образуются в результате взаимодействия границы с решеточными дислокациями. Проекция на экран просвечивающего электронного микроскопа поверхности границы между зернами 1 и 2, наклонно расположенной в объеме фольги. Ширина этой проекции составляет сотни нанометров; она ничего общего не имеет с физической шириной границы зерен, измеряемой до­лями нанометра (два-три атомных диаметра). Система чере­дующихся почти параллельных темных и светлых полос вдоль границы зерен—это специфический контраст из-за особых ди­фракционных условий, не связанный с атомной структурой межзеренной границы. Некоторые внесенные дислокации (см. стрелку) частично расположены в границе зерен, а частично— в теле зерна 2. При встрече неподвижной границы с движу­щейся к ней решеточной дислокацией или при встрече мигри­рующей границы с неподвижной дислокацией последняя входит в границу. Такая захваченная границей решеточная дислокация является одной из разновидностей внесенных ЗГД.

Дифракционный контраст от захваченных границей реше­точных дислокаций при повышенных температурах постепенно исчезает, граница абсорбирует захваченные решеточные дисло­кации. При этом каждая из них может диссоциировать на не­сколько внесенных ЗГД.

Векторы Бюргерса ЗГД — продуктов диссоциации меньше вектора Бюргерса захваченной границей решеточной дислока­ции, поэтому такая диссоциация энергетически выгодна, при­водит к уменьшению дальнодействующего поля упругих напря­жений.

Внесенные ЗГД в отличие от собственных не являются составляющей равновесной структуры границы. С ними связано дальнодействующее поле упругих напряженки.

Диссоциацию решеточной дислокации, захваченной границей, на несколько ЗГД наблюдали в специальных границах и гра­ницах, близких к специальным, но не наблюдали в произволь­ных границах. Для них была предложена другая модель умень­шения энергии—непрерывная делокализация ядра решеточной дислокации.

На рис. 16.12, а показана краевая решеточная дислокация, скользящая к границе зерен. На рис. 16.12,6 край экстраплоскоскости достиг границы зерен. При локализованном ядре захваченной дислокации энергия границы высокая (см. сильные ис­кажений на рис. 16.12,6). Упругая энергия уменьшится, если об­ласть несоответствия решеток, обусловленного наличием экстра­плоскости, будет расширяться (рис. 16.12, в). Этот процесс со­гласуется с постепенным размытием изображений решеточных дислокаций, захваченных произвольными границами зерен, вплоть до полного исчезновения дифракционного контраста от них.

Рис. 16.12 Размытие ядра решеточной дислокации, захваченной границей

Непрерывную делокализацию ядра захваченной границей решеточной дислокации можно трактовать и как ее диссоциа­цию на большое число невидимых в электронном микроскопе ЗГД с очень малыми векторами Бюргерса.

Рассмотренные процессы абсорбции, поглощения границей захваченных решеточных дислокаций интенсифицируются с по­вышением температуры.

Границы зерен могут не только поглощать, но и испускать решеточные дислокации. Последнее возможно, если произойдет объединение нескольких ЗГД с малыми векторами Бюргерса в одну решеточную дислокацию или же произойдет сжатие де-локализованного ядра (см. переход от схемы на рис. 16.12, в к схеме на рис. 16.12,6).

Уступы, изломы границ и тройные стыки зерен являются наиболее вероятными местами испускания решеточных дислокаций, так как около них, как барьеров, образуются скопления ЗГД, затем объединяющихся под действием приложенной на­грузки в решеточную дислокацию.

Контрольные вопросы

1. Объясните, что называют границей зерен и субзерен, и к каким дефектам они отно­сятся.

2. Объясните, какую границу называют границей наклона.

3. Объясните, какую границу называют границей кручения.

4. Объясните, какие границы относят к малоугловым, а какие к высокоугловым.

5. Объясните, какая малоугловая граница образуется из краевых дислокаций одного знака.

6. Объясните, какую малоугловую границу называют симметричной границей наклона.

7. Объясните, почему все субзеренные (блочные) границы являются малоугловыми.

8. Объясните, какую малоугловую границу называют скользящей.

9. Объясните, каким образом возникают стенки дислокации.

10. Объясните, как ведет себя малоугловая граница с точечными дефектами, в том числе с примесными атомами.

11. Объясните, какие границы являются высокоугловыми границами.

12. Объясните, к каким дефектам относят границы зерен.

13. Отличительные особенности собственных и несобственных зернограничных дислока­ций.

Дата добавления: 2014-01-07