Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами

Сосуществующие в кристалле точечные дефекты и дислокации не безразличны друг к другу. Они взаимодействуют между собой, причем характер и результат такого взаимодействия зависят от природы точечных дефектов – от того, образованы они собственными примесями или посторонними.

Если возникновение точечных дефектов в кристалле связано с собственными примесями (например, нарушением стехиометрии), то их соприкосновение с дислокациями приводит к движению дислокаций. При этом точечные дефекты как кристаллохимические индивиды прекращают свое существование.

Допустим, что некий кристалл обогащен вакансиями и дислокациями. Т.к. концентрация вакансий является функцией температуры, то путем ее изменения можно создать условия, при которых она окажется выше равновесной. Вследствие этого избыток вакансий устремится к местам стока. На рисунке 6 показана ситуация, когда вакансии стекают на дислокацию.

Рисунок 6 Восхождение дислокации

При подходе вакансий к краю смещенной плоскости расположенные здесь метастабильные частицы обмениваются местами с вакансиями, вследствие чего дислокация как бы переползает, а вакансии перестают существовать.

Исчезновение вакансий высвобождает энергию, затраченную на их образование. Некоторая ее часть расходуется на перемещение дислокаций, остальная – покидает кристалл, что и обеспечивает самопроизвольное протекание процесса. Такой способ движения дислокаций называется переползанием или восхождением.

Когда кристалл обогащен посторонними примесями, то возможны два случая их взаимодействия с дислокациями.

1. Примеси электронейтральны. Самопроизвольность процесса обеспечивается за счет энергетического выигрыша, обусловленного снижением напряжений, возникающих в решетке при появлении дислокаций и растворении примесей.

В результате образования дислокаций в непосредственной близости от нее одна часть решетки оказывается сжатой, а другая – растянутой. При внедрении в кристалл примеси с атомами больших размеров энергетически выгодно располагаться в растянутых областях, чем в обычных междоузлиях. В случае растворов замещения примесные атомы небольших размеров стремятся занять сжатые области (рисунок 7).

Рисунок 7. Энергетически выгодное расположение точечных дефектов вблизи дислокации: более мелкий атом - примесь замещения (1),

более крупный атом - примесь замещения (2), атом внедрения (3)

Скопление примесных атомов вокруг дислокаций называют облаком Коттрелла.

2. Примеси несут определенный эффективный заряд. Этот случай относится к ионным кристаллам, в которых оборванные кристаллографические плоскости – дислокации – заселены ионами со свободными связями и несут на себе некоторый заряд.

Атомы посторонних примесей при попадании в такой кристалл ионизируются и также приобретают определенный эффективный заряд. Ионы со знаком, противоположным знаку заряда дислокации, взаимодействую с ней, что приводит к обрастанию дислокации ионной атмосферой.

Таким образом, дислокации служат центрами конденсации посторонних примес ей. Это приводит к изменению термодинамических, электрофизических и прочностных свойств кристалла.

Изменение прочностных свойств кристалла проявляется в изменении его пластичности, которая связана с движением дислокаций. Обрастая примесями, дислокации становятся менее подвижными, что приводит к падению пластичности и упрочнению материала.

Источники макронапряжений в кристаллах могут быть различными. В принципе любая механическая обработка приводит к образованию макронапряжений, а следовательно, и дислокаций. Дислокации зарождаются в местах с повышенным напряжением, а затем происходит их размножение. Наиболее распространенным механизмом размножения дислокаций является источник Франка-Рида (рисунок 8).

Рисунок 8. Образование дислокационных петель от источника

Франка-Рида под действием внешнего напряжения

В кристалле существует трехмерная сетка дислокаций. Пусть среди всех этих дислокаций отрезок АВ лежит в плоскости скольжения, т.е. только дислокационный отрезок АВ может свободно перемещаться под действием внешнего напряжения, в то время как движение остальных дислокаций запрещено.

Крайние точки А и В выполняют роль стопоров по отношению к подвижному отрезку, который при возрастании напряжения перемещается вперед и расширяется (рисунок 4.8, б ) почти так же, как мыльная пленка, которую выдувают из трубки. Дальнейшее увеличение напряжения сопровождается непрерывным растяже­нием петли дислокации, до тех пор пока крайние участки не встре­тятся позади источника, как показано на рисунке 4.8, в и г. Теперь петля дислокации имеет краевые и винтовые компоненты, причем последние обеспечивают ее расширение в боковых направлениях. Две половины петли, которые соединяются, двигаясь навстречу одна другой, имеют противоположные знаки, хотя ориентированы одинаково. При их встрече соответствующие винтовые компоненты взаимно уничтожаются (рисунок 4.8, д). Таким способом осуществляется замыкание петли и ее освобождение от источника АВ (который и называется источником Франка—Рида). Теперь этот источник спо­собен испустить новую дислокационную петлю; непрерывное об­разование петель называется размножением дислокаций. Подвижные свободные петли распространяются в кристалле, что в случае непрерывного действия напряжения приводит к конфигурации, состоящей из петель дислокаций, концентричных относительно источника. В принципе образование таких петель могло бы продолжаться неопределенно долго, но в действительности петли встречают препятствия, которые затрудняют непрерывное размно­жение дислокаций или полностью прекращают его.

Изучение дислокаций проводится наиболее интенсивно в связи с разработкой теории прочности материалов. Достаточно даже неболь­шого числа дислокаций, чтобы прочность материала была на несколь­ко порядков ниже теоретической. Кристаллы, свободные от дислока­ций, могут иметь прочность, близкую к теоретической (примерно 1/30 модуля упругости); они также не испытывают пластических деформа­ций при нагревании вплоть до очень высоких температур. Упрочнение материалов может быть также достигнуто и торможением движения дислокаций. Это достигается введением посторонних ато­мов, которые создают дефекты кристаллической решетки, препятству­ющие движению дислокаций. Такие добавки называются легирующими.