Дислокації (у кристалах)
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Дислокації (у кристалах)

Дислокації в кристалах, дефекти кристала, що є лініями, уподовж і поблизу яких порушено характерне для кристала правильне розташування атомної плоскості. Д. та інші дефекти в кристалах визначають багато фізичних властивостей кристалів, званих структурно-чутливими. Зокрема, механічні властивості кристалів — міцність і пластичність — обумовлені існуванням Д. і їх особливостями.

загрузка...

  Типи Д. Простейшимі видами Д. є краєва і гвинтова Д. У ідеальному кристалі сусідня атомна плоскість паралельна на всьому своєму протязі. У реальному кристалі атомна плоскість часто обривається усередині кристала ( мал. 1 , а), при цьому виникає краєва Д., віссю якої є край «зайвої» напівплощини. Вживання електронних мікроскопів з великою роздільною здатністю дозволяє спостерігати в деяких кристалах специфічне для краєвої Д. розташування атомних рядів.

  Утворення краєвої Д. можна уявити собі, якщо надрізати кристал по частині плоскості ABCD ( мал. 1 , би), зрушити нижню частину відносно верхньої на одне міжатомна відстань b в напрямі, перпендикулярному до АВ , а потім знов з'єднати атоми на протилежних краях розрізу. Зайва напівплощина, що залишилася, обривається уздовж краєвої Д. АВ . Вектор b , величина якого дорівнює міжатомній відстані, називається вектором зрушення (вектор Бюргерса). Плоскість, що проходить через вектор зрушення і лінію Д., називається плоскістю ковзання краєвої Д.

  Якщо напрям зрушення b не перпендикулярно, а паралельно кордону надрізу АВ , то виходить гвинтова Д. ( мал. 2 , а). На відміну від краєвої Д., в гвинтової Д. плоскістю ковзання є будь-яка кристалографічна плоскість, що проходить через лінію АВ . Кристал з гвинтовою Д. вже не складається з паралельної атомної плоскості, швидше за нього можна розглядати таким, що складається з однієї атомної плоскості, закрученої у вигляді гелікоїда або гвинтової сходи без сходинок ( мал. 2 , би). На мал. 2а , показано розташування атомів вище (білі кухлі) і нижче (чорні кухлі) за плоскість ковзання в простих кубічних гратах з гвинтовою Д. Еслі гвинтова Д. виходить на зовнішню поверхню кристала, то в точці виходу А ( мал. 2 , би) обривається сходинка AD висотою в товщину одного атомного шару. Ця сходинка активно проявляє себе в процесі кристалізації. Атоми речовини, випадні з пари або розчину, легко приєднуються до сходинки на поверхні зростаючого кристала. Кількість атомів, що захоплюються сходинкою, і швидкість зсуву сходинки по поверхні кристала більше поблизу виходу Д. Поетому сходинка закручується довкола осі Д. Ступенька послідовно піднімається з одного кристалічного «поверху» на іншій, що приводить до спірального зростання кристала.

  Між граничними випадками краєвий і гвинтовий Д. можливі будь-які проміжні, в яких лінія Д. складає довільний кут з вектором зрушення (змішана Д.). Лінія Д. не обов'язково має бути прямій, вона може бути довільною кривою. Лінії Д. не можуть обриватися усередині кристала, вони мають або бути замкнутими, утворюючи петлі, або розгалужуватися на декілька Д., або виходити на поверхню кристала. Щільність Д. у кристалі визначається як середнє число ліній Д., що пересікають проведений усередині тіла майданчик в 1 см 2 , або як сумарна довжина Д. у 1 см 3 . Щільність Д. зазвичай вагається від 10 2 до 10 3 на 1 см 2 в найбільш досконалих монокристалах і доходить до 10 11 —10 12 на 1 см 2 в сильно спотворених (наклепаних) металах (див. нижчий).

  Д. — джерела внутрішні напруги. Ділянки кристала поблизу Д. знаходяться в пружно напруженому стані. Напруга убуває обернено пропорційно до відстані від Д. Поля напруги поблизу окремих Д. виявляються (у прозорих кристалах з низькою щільністю Д.) за допомогою поляризованого світла (див. Фотопружна ). Залежно від взаємної орієнтації векторів зрушення два Д. вони притягуються або відштовхуються. При зближенні два Д. з однаковими векторами зрушення ( мал. 3 , а) збільшується стискування кристала по одну сторону від плоскості ковзання і розтягування — по іншу сторону. При зближенні Д. з протилежними векторами зрушення стискування і розтягування по обидві сторони від плоскості ковзання взаємно компенсуються ( мал. 3 , би, в, г). Величина пружної енергії, обумовленої полем напруги Д., пропорційна b 2 і складає зазвичай величину ~ 10 -4 ерг на 1 см довжини Д.

  Переміщення Д. Д. можуть переміщатися в кристалі, викликаючи його пластичну деформацію. Переміщення Д. у плоскості ковзання називається ковзанням. В результаті ковзання однієї Д. через кристал відбувається пластичне зрушення на одну міжатомну відстань b ( мал. 4 ). При переміщенні Д. у плоскості ковзання в кожен даний момент розриваються і пересоєдіняются зв'язки не між всіма атомами на плоскості ковзання ( мал. 4 , а), а лише між тими атомами, які знаходяться в осі Д. ( мал. 4 , би). Тому ковзання Д. відбувається при порівняно малій зовнішній напрузі. Ця напруга на декілька порядків нижча, ніж напруга, при якій може пластично деформуватися досконалий кристал без Д. (теоретична міцність на зрушення, див.(дивися) Пластичність ). Сдвіговую міцність, близьку до теоретичної, можуть мати, наприклад, ниткоподібні кристали (вуса), Д, що не містять.

  Переміщення краєвий або змішаною Д. у напрямі, перпендикулярному до плоскості ковзання, називається переповзанням (сходженням). Воно здійснюється шляхом дифузії атомів (або зустрічного руху вакансій ) з кристала до краю напівплощини, створюючому Д. ( мал. 5 ). Т. до. швидкість дифузії дуже різко (експоненціально) зменшується з пониженням температури, переповзання відбувається з помітною швидкістю лише при досить високих температурах. Якщо кристал з Д. знаходиться під навантаженням, то потоки атомів і вакансій направлені так, щоб пружна напруга зменшилася. В результаті відбувається пластична деформація кристала не за рахунок ковзання, а за рахунок переповзання Д. Т. о., пластична деформація кристала з Д. завжди є рухом Д. Прі цьому швидкість пластичної деформації кристала виявляється прямо пропорційній щільності рухомих Д. і їх середній швидкості. Пластична деформація кристала без Д. здійснюється шляхом дифузії точкових дефектів.

  Рухливість Д. Ськольженію Д. перешкоджає не лише міцність тих, що розриваються міжатомних зв'язків, але і розсіяння теплових коливань атомів і електронів провідності (у металах) в пружно спотвореної області кристала, що оточує рухомі Д., а також пружна взаємодія з ін. Д., з атомами домішкових елементів в твердих розчинах, межзеренниє кордони в полікрісталлах, частки ін. фази в тих, що розпадаються сплавах, двійники (див. Двійникування ) і ін. дефекти в кристалах. На подолання цих перешкод витрачається частина роботи зовнішніх сил. В результаті цього рухливість Д. залежить від структури грат тим більше, чим менше дефектів містить кристал. Швидкість ковзання Д. різко зростає з напругою, але не перевершує швидкості поширення звуку в кристалі. Швидкість переповзання пропорційна напрузі.

  Освіта і зникнення Д. Обично Д. виникають при утворенні кристала з розплаву або з газоподібної фази (див. Кристалізація ). Методи вирощування монокристалів, Д, що зовсім не містять., дуже складні і розроблені лише для небагатьох кристалічних речовин. Після ретельного відпалу кристали містять зазвичай 10 4 —10 5 Д. на 1 см 2 . При щонайменшій пластичній деформації такого кристала Д. інтенсивно «розмножуються» ( мал. 6 ), без чого неможлива значна пластична деформація кристала. Якби нові Д. не народжувалися в кристалі, то деформація припинилася б після виходу на поверхню кристала всіх наявних в нім Д.

  Д, що притягуються. з протилежним вектором зрушення, лежачі в одній плоскості ковзання, при зближенні знищують один одного (анігілюють, мал. 3 , би, в, г). Якщо такі Д. лежать в різній плоскості ковзання, то для їх анігіляції потрібне переповзання. Тому при високотемпературному відпалі, сприяючому переповзанню, знижується щільність Д.

  Д. — джерело кривизни грат. Ділянки кристала, розділені рядами ( мал. 7 ) або сітками з Д., мають різну орієнтацію атомної плоскості і називаються кристалічними блоками. Якщо Д. розташовані рівномірно за об'ємом кристала, то блокової структури немає, але грати викривлені ( мал. 8 ).

  Викривлення атомної плоскості і спотворення міжплощинних відстаней поблизу Д. збільшують інтенсивність розсіяння рентгенівських променів і електронів. На цьому засновані рентгенівські і електронномікроськопічеськие методи спостереження Д.

  Дислокаційна структура деформованих кристалів. Руйнування. Розподіл Д. у деформованих кристалах зазвичай нерівномірне. При малій мірі деформації (зазвичай до 10%) Д. часто розташовуються уздовж виділеної плоскості ковзання. Із зростанням деформації виникає (зазвичай в металах) блокова структура, що виявляється за допомогою електронного мікроскопа або по розсіянню рентгенівських променів. Із зростанням деформації розмір блоків падає. При розмноженні Д. середні відстані між Д. скорочуються, їх поля пружної напруги взаємно перекриваються і ковзанню важко (деформаційне зміцнення кристала). Щоб ковзання могло продовжуватися, прикладену зовнішню напругу необхідно підвищити.

  При подальшому розмноженні Д. внутрішня напруга може досягати значень, близьких до теоретичної міцності . Тоді настає руйнування кристала шляхом зародження і поширення в нім мікротріщин. Цьому можуть сприяти також і теплові коливання.

  Вплив Д. на фізичні властивості кристалів. Д. впливають не лише на такі механічні властивості твердих тіл, як пластичність і міцність, для яких присутність Д. є визначальний, але і на ін. фізичні властивості кристалів. Наприклад, із збільшенням числа Д. зменшується щільність кристала, зростає внутрішнє тертя, змінюються оптичні властивості, підвищується електроопір. Д. збільшують середню швидкість дифузії в кристалі і прискорюють старіння і ін. процеси, що протікають за участю дифузії. Д. зменшують хімічну стійкість кристала, так що в результаті обробки поверхні кристала спеціальними речовинами (травильниками) в місцях виходу Д. утворюються видимі ямки. На цьому засновано виявлення Д. у непрозорих матеріалах методом того, що виборчого труїть.

 

  Літ.: Ландау Л. Д., Ахиезер А. І., Ліфшиц Е. М., Курс загальної фізики, М., 1965 § 105; Бюренван Х. Р., Дефекти, в кристалах пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1962; Фрідель Же., Дислокації, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1967; Інденбом Ст Л., Орлів А. Н., Фізична теорія пластичності і міцності, «Успіхи фізичних наук», 1962, т. 76, с. 557; Котрелл А., Теорія дислокацій, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1969; Хирт Дж., Лоті І., Теорія дислокацій, пер.(переведення) з англ.(англійський), М. [у пресі].

  А. Н. Орлів.

Мал. 6. Переміщення дислокації в плоскості ковзання супроводиться розривом і пересоєдіненієм міжатомних зв'язків. У кристалі без дислокацій зрушення в плоскості ковзання вимагає одночасного розриву всіх міжатомних зв'язків.

Мал. 5, а і б — дислокації, що відштовхуються і притягуються; у, г — анігіляція дислокацій, що притягуються.

Мал. 2а. Гвинтова дислокація. Розташування атомів в плоскості ковзання гвинтової дислокації.

Мал. 8. Схема джерела дислокацій Франка — Ріда. У крапках А і В закріплений відрізок дислокації. Під дією зовнішнього навантаження (стрілка) він прогинається, приймаючи послідовно конфігурації а — ж, поки не отшнуруєтся замкнута дислокаційна петля з відновленням вихідного відрізання АВ. На стадії е ділянки петлі m і n, що притягуються, анігілюють.

Мал. 7. Переповзання краєвої дислокації. Атоми зайвої напівплощини переходять у вакантні вузли грат.

Мал. 2. Гвинтова дислокація: а — схема утворення гвинтової дислокації; б — розташування атомів в кристалі з гвинтовою дислокацією (атоми розташовуються у вершинах кубиків).

Мал. 1. Краєва дислокація: а — обрив атомної плоскості усередині кристала; б — схема утворення краєвої дислокації.

Мал. 10. Зігнутий кристал.

Мал. 9. Дислокації створюючі міжблочний кордон.