Происхождение дислокаций

Энергия дислокаций составляет несколько электронвольт на атом.* Поэтому термическая активация не может помочь 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 (см. рис. 88, а). 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 (переохлаждений). Это звено отсутствует, если растет кристалл, содержащий винтовую дислокацию (см. рис. 88, б). Присоединение атомов к ступеньке на 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, облегчая рост кристалла.

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 (негомогенно). 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, а частично за счет дислокаций, возникающих на этой поверхности (рис. 103). Такие дислокации называют структурными, эпитаксиальными или дислокационными несоответствиями.

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 меж атомными 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. Дислокаций могут возникать во время кристаллизации из-за разных случайностей при росте кристаллов. Эти случайности приводят к образованию мозаичной структуры — кристалл состоит из субзерен (блоков), 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. 104 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. 104, б поверхность срастания представляет собой стенку из положительных дислокаций.

5. Дислокации могут возникать в полностью затвердевшем металле в непосредственной близости от фронта кристаллизации и вдали от него. Считается, что основным здесь является вакансионный механизм образования дислокаций. Равновесная концентрация вакансий резко уменьшается с понижением температуры от точки кристаллизации. При ускоренном охлаждении кристалл сильно пересыщается вакансиями (см. § 3 и 7). Избыточные вакансии конденсируются в дискообразные 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 диск сплющивается. Это явление называют захлопыванием диска вакансий.

Если в г. ц. к. решетке вакансионный диск, лежащий в плоскости {111}, захлопывается при сближении по нормали двух соседних слоев, разделенных слоем вакансий, то возникает дефект упаковки. На рис. 56 показано чередование плотноупакованных слоев {111} после захлопывания диска вакансий. До захлопывания вакансионный диск находился в слое атомов В (середина этого слоя отсутствовала). При захлопывании диска сближение соседних слоев А и С по нормали одного к другому привело к образованию дефекта упаковки САСА в г. ц. к. решетке АВСАВС. Этот дефект имеет дискообразный контур. Границей дефекта упаковки на рис. 56 является сидячая дислокация Франка краевой ориентации (см. § 25). Вектор Бюргерса ее перпендикулярен плоскости дефекта упаковки и равен расстоянию между соседними плоскостями

.

Дефект упаковки в г. ц. к. решетке, образующийся при захлопывании вакансионного диска, чаще имеет не круглую или овальную форму, а огранен плотноупакованными рядами атомов <110>. Соответственно линия образующейся дислокации Франка имеет форму шестиугольника. Такие шестиугольники наблюдались в фольгах закаленного алюминия.

Дислокация Франка сама скользить не может. Но если в плоскости ее дефекта упаковки имеется частичная дислокация Шокли, то возможно объединение по реакции (39) дислокаций Франка и Шокли в одну единичную дислокацию, которая может скользить.

Эта реакция энергетически выгодна, так как устраняет дефект упаковки, связанный с дислокацией Франка. Образующаяся по указанной реакции единичная дислокация была названа R-дислокацией (результирующей дислокацией).