Поверхностные дефекты кристаллической решетки

К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен.

Для понимания природы появления дефектов упаковки обратимся к геометрии заполнения кристаллической решетки в плотноупакованных материалах.

Предположим, что атомы представляют собой шары; тогда плотноупакованную плоскость можно создать, расположив атомы, как показано на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Плотноупакованная плоскость

Обозначим первый слой атомов буквой А. Для создания следующей плотноупакованной плоскости необходимо поместить атомы во впадины между атомами первого слоя. Как видно из рис. 1.16, имеются два вида впадин: впадины типа В и впадины типа С. Очевидно, что одновременно во впадины обоих типов атомы расположить невозможно. Предпо-ложим, что второй слой атомов расположен во впадинах типа В, обозначим этот слой атомов В. Третий слой атомов можно расположить либо во впадины, совпадающие с центрами атомов первого слоя, либо во впадины второго типа, не совпадающие с атомами первого слоя. В первом случае получается чередование слоев:

АВАВАВАВАВАВАВАВАВ...,

Во втором случае чередование слоев типа:

АВСАВСАВСАВСАВСАВС...,

При чередовании слоев типа АВАВАВполучается гексагональная плотноупакованная решетка, при чередовании слоев типа АВСАВСАВС –гранецентрированная кубическая решетка. При нарушении чередования слоев внутри одной решетки появляется прослойка другой решетки:

АВСАВСАВСАВАВСАВСАВС.

При этом кристаллическая решетка искажается и ее энергия возрастает.

Появление дефектов упаковки связано с движением частичных дислокаций. Как отмечалось выше, при появлении дислокаций кристаллическая решетка искажается, и энергия системы возрастает на величину, пропорциональную квадрату вектора Бюргерса Е ~ кbк². Поэтому дислокации могут расщепляться на две частичные дислокации, b® b/2 + b/2. Это ведет к снижению энергии упругих искажений решетки вокруг дислокаций:

кb/2к² + кb/2к² < кbк².

При движении обычной полной дислокации атомы последовательно переходят из одного равновесного положения в другое, а при движении частичной дислокации атомы переходят в новые положения, нетипичные для данной кристаллической решетки. В результате в материале появляется дефект упаковки.

Данная ситуация иллюстрируется рис. 1.17. Как видно из рисунка, при движении полной решеточной дисло-кации с вектором Бюргерса b атомы перемещаются из одних равновесных положений в другие (например, из положения В в положение В). При этом кристалли-ческая решетка вдали от дислокации остается правильной. При расщеплении полной дислокации на две частичные движение частичных дислокаций приводит к образованию дефекта упаковки. При этом энергия атомов, смещенных в положение С, повышается (рис. 1.18).

В том случае, когда энергия дефекта упаковки велика, расщепление дислокации на частичные энергетически невыгодно, а в том случае, когда энергия дефекта упаковки мала, дислокации расщепляются на частичные, и между ними появляется дефект упаковки. Можно строго доказать, что движение пары частичных дислокаций с дефектом упаковки между ними осуществляется сложнее, чем движение полной дислокации. Поэтому материалы с низкой энергией дефекта упаковки прочнее материалов с высокой энергией дефекта упаковки.

Другим видом поверхностных дефектов являются границы зерен. Они представляют собой узкую переходную область между двумя кристаллами с разной ориентацией атомных плоскостей. Ширина границ зерен небольшая и составляет несколько межатомных расстояний. Поскольку на границах зерен атомы смещены из равновесного положения, то энергия границ зерен повышена.

Энергия границ зерен существенно зависит от угла разориентации кристаллических решеток соседних зерен (рис. 1.19). При малых углах разориентации (до 5°) энергия границ зерен практически пропорциональна углу разориентировки. Такие границы называют малоугловыми. Строение малоугловых границ можно представить как стенку или сетку решеточных дислокаций (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Дислокационная модель малоугловой границы; d – расстояние между дислокациями, q – угол разориентировки

Увеличение плотности дислокаций в малоугловых границах ведет к увеличению угла разориентировки (q) на границе. Если расстояние между дислокациями d, то можно найти угол разориентировки по формуле

q = 2 arctg(b/2d), или q » b/d .

Участки кристалла, разделенные малоугловыми границами, принято называть субзернами. Если граница субзерен представляет собой сетку краевых дислокаций, то такую границу называют границей наклона, а если граница субзерен является скоплением винтовых дислокаций, то субграницу называют границей кручения. В общем случае субграница может содержать компоненты кручения и наклона.

При углах разориенти-ровки, превышающих 5°, плотность дислокаций на границах зерен становится столь высокой, что ядра дислокаций сливаются и дальнейшее описание границ при помощи решеточных дислокаций становится невозможным. Такие границы называют больше-угловыми границами. Участки материала, отделенные большеугловыми границами, называют зернами или кристаллитами. Тело, состоящее из множества кристаллитов, разделенных большеугловыми границами, является поликри-сталлом. Большинство промыш-ленных материалов являются поликристаллическими.

Энергия большеугловых границ немонотонно зависит от угла разориентировки (рис. 1.20).

При определенных углах разориентации соседних зерен энергия границ зерен резко снижается. Такие границы зерен называются специальными. Соответственно углы разориентации границ, при которых энергия границ минимальна, называют специальными углами.

По современным представлениям, специальные границы соответствуют высокой плотности совпадающих узлов кристаллических решеток соседних атомов (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Схема атомного строения случайных (а) и специальных (б) границ

Специальные границы обозначают символом Sn, где n показывает, на сколько узлов решетки приходится совпадающий узел. Например, S7 означает, что каждый седьмой атом на границе зерен совпадает для кристаллических решеток обоих зерен. Границы зерен, углы разориентации которых отличаются от специальных, называют произвольными или случайными.

Поскольку на границах зерен атомы смещены из равновесных положений, энергия границ зерен повышена. В том случае, когда узлы кристаллической решетки одного зерна совпадают с узлами решетки другого зерна (случай специальной границы), энергия упругих искажений снижается.

При отклонении угла разориентации от специальных углов плотность совпадающих узлов падает, а энергия границы возрастает. При небольших отклонениях от специальных углов энергия границ зерен приблизительно линейно возрастает. Для объяснения этого факта проведем следующее рассмотрение. Если соединить совпадающие узлы соседних зерен, то получится решетка узлов совпадения. Введение в решетку узлов совпадения зернограничных дислокаций изменяет угол разориентации зерен аналогично тому, как скопления решеточных дислокаций увеличивают разориентацию соседних субзерен. Чем больше угол отклонения от специальной границы, тем больше плотность зернограничных дислокаций, соответственно тем больше энергия границы.

Зернограничные дислокации не только экспериментально обнаружены методом просвечивающей электронной микроскопии, но и позволяют объяснять поведение материалов при различных условиях.

Так, результаты последних исследований свидетельствуют о том, что решеточные дислокации, входя в границы зерен, разбиваются на несколько зернограничных дислокаций с малыми векторами Бюргерса. В свою очередь, несколько зернограничных дислокаций могут сливаться, образуя решеточную дислокацию. Поэтому границы зерен являются источниками и стоками решеточных дислокаций. Поскольку границы зерен, как правило, извилистые, то движение зернограничных дислокаций путем скольжения невозможно. При переползании зернограничных дислокаций происходит поглощение или выделение вакансий.

При деформации материалов при низких температурах решеточные дислокации входят в границы зерен и расщепляются на зернограничные дислокации. Поскольку подвижность вакансий при низких температурах мала, то зернограничные дислокации не могут переползать в границах на значительные расстояния и скопления зернограничных дислокаций препятствуют вхождению в границы новых решеточных дислокаций. Иначе говоря, при низких температурах границы зерен являются, в основном, барьерами для решеточных дислокаций. Поэтому прочность материалов при низких температурах высока. При измельчении зерен количество препятствий для решеточных дислокаций увеличивается, и мелкозернистые материалы более прочны, чем крупнозернистые, при низких температурах.

При высоких температурах подвижность вакансий велика, и зернограничные дислокации, образующиеся при вхождении в границы зерен решеточных дислокаций, легко перемещаются вдоль границ зерен. Поэтому границы зерен, в основном, являются стоками для решеточных дислокаций. Следовательно, накопления решеточных дислокаций у границ зерен не происходит и прочность материалов при высоких температурах снижается. Чем мельче зерна, тем больше суммарная протяженность границ зерен и меньше плотность решеточных дислокаций. Поэтому при высоких температурах мелкозернистые материалы имеют меньшую прочность, чем крупнозернистые.

Кроме того, измельчение зерен ведет к росту удельного электрического сопротивления металлических материалов и падению удельного электрического сопротивления диэлектриков и полупроводников.