Комбинации точечных дефектов различных типов

Присутствие в кристаллической решетке точечных дефектов различных типов, например, одновременное существование примесных дефектов и внедренных атомов того же сорта, что и атомы, составляющие основную решетку, приводит к сложным перемещениям атомов.

Рассмотрим возникающие при этом эффекты на примере сплавов железо-углерод. Атомы углерода в этих сплавах растворяются по способу внедрения. На рис. 3.3, а изображено нормальное положение атома углерода в объемноцентрированной кубической структуре железа. Как видно из рисунка, атом углерода располагается в октаэдрической полости между атомами железа.

Рис. 3.3. Комбинации точечных дефектов в твердом растворе внедрения железо-углерод: а) нормальное положение атома углерода в ячейке, б) «расщепление» центрального атома в элементарной ячейке, в) результирующее относительное расположение внедренного атома углерода и вакансии

Если в решетке железа имеются вакансии или внедренные атомы, то для построения модели расположения атомов в структуре требуются сложные расчеты. Эти вычисления были приведены на быстродействующей электронной счетной машине методом минимизации энергии атомов в решетке. В качестве размеров решетки при минимизации принимался ряд, состоящий из 500 атомов.

Были найдены формы потенциалов взаимодействия между двумя атомами железа и атомов железа с атомами углерода. Оказалось, что присутствие в структуре железа внедренного атома можно рассматривать как «расщепление» атома, лежащего в центре элементарной ячейки объемноцентрированного куба, на два атома (рис. 3.3,б).

Внедренные атомы в структуре железа не имеют той же симметрии в своем расположении, что и атомы, находящиеся в идеальных положениях, поэтому их присутствие можно обнаружить с помощью экспериментальных методов, чувствительных к атомам, находящимся в несимметричных положениях, например, методом измерения внутреннего трения. Расщепленный внедренный атом в структуре железа, показанный жирной штриховой линией на рис. 3.3, б, может находиться рядом с внедренным атомом углерода в решетке.

Этот результат не является очевидным, так как растворимость углерода в железе очень мала и составляет около 0,01% (т. е. атомы углерода находятся далеко не в каждой элементарной ячейке железа). Расщепление внедренного атома, как видно из рисунка, происходит вдоль направления <110> в решетке. Исследование возможных положений двух расщепленных внедренных атомов железа у одного внедренного атома углерода показывает, что могут быть две стабильные конфигурации таких дефектов.

Если в качестве основной конфигурации принять модель, изображенную на рис. 3.3, б, то второй расщепленный внедренный атом железа будет расположен у правого верхнего атома на передней грани ячейки и его линия расщепления будет параллельна линии расщепления первого внедренного атома, показанного на рисунке.

Другим вариантом расположения второго расщепленного внедренного атома является замена верхнего атома на рис. 3.3, б. Если ось верхнего расщепленного комплекса параллельна оси нижнего, то конфигурация является нестабильной. Если в объемноцентрированной кубической структуре железа имеются вакансии, то положение изменяется, так как очевидно, что атом углерода (имеющий размер меньше, чем атом железа) в принципе может занять место вакансии, что не приведет к дополнительной деформации решетки.

В действительности, по- видимому, возникает несколько более сложная ситуация, и атом углерода, как показано на рис. 3.3, в, не займет положения вакансии (в данном случае атома, находившегося в центре куба), а лишь несколько переместится вниз, в направлении <100> в сторону вакансии.

Интересно отметить, что если подсчитать объем, освободившийся при образовании вакансии, то оказывается, что в нем могут поместиться не один, а два атома углерода. Однако из экспериментальных данных следует, что с каждой вакансией связан только один атом углерода. По-видимому, это вызвано тем, что атомы углерода в твердом растворе железо-углерод положительно заряжены и отталкивают друг друга.

Из приведенных примеров ясно, что анализ комплексов различных точечных дефектов является сложной задачей. Рассмотрим возможные дислокации в различных кристаллических структурах.