Атмосферы Снука

Энергия связи краевой дислокации с примесными атомами обусловлена не только упругими (коттрелловским) взаимодействием. В нее вносит вклад электрическое взаимодействие с неупругим искажением 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[1]. Вклад неупругого взаимодействия в ядре дислокации количественно не оценен. Ошибка в расчетах энергии взаимодей­ствия, основанных на теории упругости, составляет 10%, если примесный атом удален На два межатомных расстояния от ядра, и 50%, если он удален на одно межатомное расстояние.

Общее и весьма приближенное представление о величине энергии связи краевой дислокации с точечными дефектами разного вида дает табл. 4 (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 α-железе находятся в октаэдрических пустотах, занимая положения посередине ребер или в центре граней (см. рис. 4). На рис. 5 (см. с. 14) атом внедрения в центре грани (010), окруженный шестью соседями, находится на расстоянии от двух соседей в направлении [010] и на расстоянии от четырех соседей в других направлениях. Поэтому атом, внедренный центре грани (010), раздвигая ближайших соседей, несколько удлиняет элементарную ячейку в направлении [010]. В общем случае, когда внедренный 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 обуслобливают 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. Считается, 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 90° 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

где C₀ – средняя концентрации примеси в металле;

k – константа Больцмана.

Отсюда следует, что линии равной энергии упругого взаимо­действия краевой дислокации и примесного атома (см. рис. 100) одновременно являются изоконцентратами примеси в поле дисло­кации в условиях равновесия. Чем дальше от дислокации, тем меньше концентрация притянутой к ней примеси.

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 у основного металла. Согласно формуле (57):

Для сплава данного состава (С_о и Е_max неизменны) С_Emax за­висит только от температуры. При понижении температуры С_Emax возрастает, наступает такой момент, когда все возможные положения с E_max для примесных атомов вдоль линии дислокаций за­няты (при условии, что для этого хватает общего количества при­месных атомов в сплаве). Такую атмосферу Коттрелла называют насыщенной или конденсированной. У нее С_Emax ≈ 1 в отличие от разбавленной атмосферы, у которой С_Emax «1.

Подставив в формулу (58) значение С_Emax = 1, получим выра­жение для температуры Т_н, ниже которой коттрелловская атмо­сфера становится насыщенной:

Энергия связи с дислокацией атомов внедрения значительно выше, чем атомов замещения (см. табл. 4), и поэтому при одинако­вой общей концентрации С_о в растворах внедрения Т_н 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 (о ней см. ниже в § 38), тем больше требуется атомов примеси, чтобы образовать насыщен­ные атмосферы. Концентрация примесных атомов, расположенных в виде непрерывных одноатомных цепочек вдоль линий дислока­ций:

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 Т_н. Например, в железе примеси углерода и азота, растворенные по способу внедрения (E_max ≈ 0,5 эВ), при комнатной температуре образуют насыщенные атмосферы.

Низкие значения E_mах в растворах замещения с Г.Ц.К. ре­шеткой могут компенсироваться высокой общей концентрацией раствора С_о, и в этом случае температура T_н также может оказаться довольно высокой. Например, в α-латуни, содержащей 1 % (ат.) Zn, при Е_мах = 0,1 эВ Т_н ≈ 300° К, т. е. при комнатной температуре атмосферы вокруг дислокаций насыщены атомами цинка.

В О.Ц.К. решетке железа при отсутствии напряжений атомы углерода и азота с одинаковой вероятностью заполняют октаэдрические пустоты вдоль трех различных кристаллографических осей (рис. 101, а). Приложенные внешние напряжения слегка увеличивают расстояние между двумя атомами железа вдоль одного из направлений, и тогда атомы внедрения располагаются преиму­щественно в этом направлении (рис. 101, б).

Такой эффект упорядочения в расположении атомов (эффект Снука) должен наблюдаться и в поле напряжений вокруг винтовой и краевой дислокаций. Область упорядоченного расположения примесных атомов внедрения вокруг линии дислокации называют атмосферой Снука. Ее образование уменьшает свободную энергию кристалла. В отличие от несравненно более медленного образова­ния атмосферы Коттрелла, связанного с диффузией атомов на значительные расстояния, снуковское упорядочение быстро воз­никает при перескоках атомов из одних октаэдрических пустот в соседние октаэдрические пустоты (см. рис. 101, б).