Линейные дефекты кристаллической решетки

Важным видом дефектов являются дислокации. Наиболее простой и наглядный способ введения дислокаций в кристалл - это сдвиг. Структура кристалла, полученная в результате сдвига, показана на рис. 1.12. В верхней части кристалла оказывается на одну вертикальную атомную плоскость больше, чем в нижней. Одна «лишняя» плоскость оказывается оборванной и не имеет продолжения внизу. Такую неполную плоскость называют экстраплоско-стью. Край экстраплоскости образует линию АВ, поэтому такая структура называется краевой дислокацией и является линейным дефектом. Линию АВ называют линией дислокации, а область кристалла непосредственно вокруг нее называют ядром дислокации.

Для оценки величины искажений кристаллической решетки вблизи дислокации Бюргерс предложил построить замкнутый контур вокруг участка кристалла, содержащего дислокацию, а затем построить такой же контур на участке кристалла с правильной решеткой.

Как видно из рис. 1.13, для построения замкнутого контура вокруг участка, содержащего дислокацию, потребовалось 10 шагов. При построении аналогичного пути из 10 шагов в области совершенного кристалла контур не замыкается. Для замыкания контура требуется еще один шаг ( или вектор b), в настоящее время называемый вектором Бюргерса. Построение контура Бюргерса в участке кристалла, содержащем дислокацию, можно начинать из произвольной точки и в любом направлении. Однако в случае краевой дислокации вектор Бюргерса всегда оказывается перпендикулярным линии краевой дислокации.

а б

Рис. 1.14. Построение контура Бюргерса в кристалле, содержащем винтовую дислокацию (а), и в совершенном кристалле (б)

В связи с этим у Бюргерса возник вопрос: нельзя ли представить дислокацию, вектор смещения которой параллелен линии дислокации? В 1939 году он предложил геометрический образ такой дислокации и назвал ее винтовой дислокацией. Как видно из рис. 1.14,а, при круговом движении по плоскости, перпендикулярной винтовой дислокации, происходит смещение на следующую плоскость, аналогично движению по винтовой лестнице. Поэтому такой дефект называют винтовой дислокацией.

Вектор Бюргерса обладает важными свойствами:

1) вектор Бюргерса не зависит от выбора контура обхода. Отсюда следует, что дислокация не может оборваться в кристалле;

2) энергия упругих искажений решетки пропорциональна квадрату модуля вектора Бюргерса;

3) при прохождении дислокации с вектором Бюргерса, равным периоду решетки, кристаллическая решетка не изменяется.

При приложении внешних напряжений дислокации смещаются и выходят на поверхность кристалла, и таким образом осуществляется пластическая деформация. Очевидно, что перемещение дислокаций вдоль плотноупакованных направлений и в плотноупакованных плоскостях осуществляется легче, чем в неплотноупакованных направлениях, вдоль которых расстояния между атомами больше. Следовательно, материалы с плотноупакованными кристаллическими решетками - металлы - обладают высокой пластичностью.

Присутствие в кристаллической решетке дислокаций оказывает решающее влияние на механические свойства материалов. При полном отсутствии дислокаций прочность кристаллов должна была бы быть в сотни раз выше реальной. В обычных же материалах дислокации всегда присутствуют, поэтому их прочность значительно ниже теоретической. Подтверждением этого положения является создание нитевидных кристаллов, так называемых "усов". Усы из-за малого диаметра кристалла практически свободны от дислокаций, и поэтому их прочность оказывается близка к теоретической.

При повышении плотности дислокаций в обычных материалах их прочность возрастает. Это связано с тем, что в ядре дислокации кристаллическая решетка искажена, а следовательно, дислокации окружены полями упругих напряжений. При увеличении плотности дислокаций поля упругих напряжений перекрываются, дислокации взаимодействуют друг с другом, и перемещение дислокаций затрудняется. Хотя прочность материалов с повышенной плотностью дислокаций всего лишь в полтора - два раза выше прочности материалов с обычной плотностью дислокаций, такое повышение прочности имеет большое практическое значение. Повышение плотности дислокаций легко провести путем холодной пластической деформации. Испокон веков, прежде чем точить косу, крестьяне отбивали ее, т. е. ударяли по режущей части лезвия косы молотком. При этом режущая часть упрочнялась и меньше тупилась при работе. Повышение прочности металлов в ходе холодной пластической деформации называют наклепом, или нагартовкой.

Зависимость прочности металлических материалов от плотности дислокаций показана на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Зависимость прочности металлов от плотности дислокаций:

1 – область нитевидных кристаллов, «усов»,

2– отожженные металлы,

3– холоднодеформированные металлы

Наличие в материале дислокаций резко повышает скорость диффузии. Это связано с тем, что дислокации могут являться источниками и стоками вакансий. При испускании вакансий дислокации переползают на плоскость, лежащую выше, а при поглощении вакансий дислокации переползают на плоскость, лежащую ниже исходной плоскости. Таким образом, наличие дислокаций повышает локальную концентрацию вакансий, а следовательно, ускоряет диффузию. Этим пользуются опытные мастера: прежде чем затачивать жало паяльника, они отбивают его. Тогда при облуживании жала припоем олово, входящее в состав припоя, диффундирует в медное жало, и на поверхности жала образуется тонкий слой сплава меди с оловом – бронзы. Коррозионная стойкость материала повышается, и жало паяльника служит дольше.

Дислокации взаимодействуют с атомами растворенных примесей или легирующих элементов. Как отмечалось выше, вблизи чужеродного атома кристаллическая решетка искажена - растянута или сжата. В ядре дислокации кристаллическая решетка также искажена: под экстраплоскостью кристаллическая решетка растянута, а над экстраплоскостью сжата. Поэтому чужеродные атомы притягиваются к дислокациям, образуя скопления, которые называются атмосферы Котрелла. При движении дислокаций вместе с ними перемещаются и атмосферы Котрелла, что приводит к затруднению движения дислокаций или к повышению прочности металлических материалов. Поэтому сплавы прочнее чистых металлов.

Искажение кристаллической решетки за счет присутствия дислокаций повышает удельное электрическое сопротивление металлических материалов и снижает удельное электрическое сопротивление неметаллических материалов. Природа влияния дислокаций на электрические свойства материалов аналогична природе влияния точечных дефектов.