Движение дислокаций

Под действием скалывающих напряжений  дислокация может перемещаться по кристаллу. С наибольшей легкостью это происходит в плоскости : (  ) = 0 – плоскости скольжения дислокации.

Плоскости скольжения – это обычно плотноупакованные плоскости с большими расстояниями между ними, например, в ГЦК решетке это {111}, а направления скольжения – <110> (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Плоскость и направления скольжения в а – ГЦК, б – ОЦК и в - ГПУ решетках

Рассмотрим два примера

1) || , т.е. вектор Бюргерса дислокации лежит в плоскости скольжения. Такое перемещение дислокации называют скольжением.

В случае краевой дислокации направление скольжения совпадает с вектором Бюргерса , а линия дислокации лежит в плоскости скольжения (рис. 3. 14). В случае винтовой дислокации, когда || , плоскость скольжения неопределенна и может представлять собой любую плоскость из семейства плоскостей с осью, совпадающей с . Таким образом, всякое движение винтовой дислокации является скольжением.

Рис. 3.14. Скольжение краевой дислокации

Скольжение не сопровождается переносом массы и требует небольших касательных напряжений , согласно теории:

, (3.18)

где  – коэффициент Пуассона (обычно  0,3);

a, b – постоянные решетки;

G – модуль Юнга.

Полагая a = b, находим   310^–4G, т.е. это близко к пластической деформации реальных кристаллов. Значит, пластическая деформация обусловлена в основном скольжением дислокаций.

2 ) Пусть || , т.е. не лежит в плоскости перемещения дислокаций.

В этом случае за движущейся краевой дислокацией остаются вакансии, либо междоузловые атомы, т.е. переносится вещество (в зависимости от знака ). Такое движение называется переползанием дислокации (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Переползание краевой дислокации

Для винтовых дислокаций переползание , связанное с переносом вещества, невозможно, т.е. для них возможно только скольжение.

Взаимодействие дислокаций между собой

и с точечными дефектами

Любая дислокация создает в кристаллической решетке поле упругих напряжений. Вокруг краевой дислокации поле напряжений имеется как в области сжатия решетки там, где заканчивается лишняя полуплоскость, так и в области растяжения решетки (ниже лишней полуплоскости). Это локальное расширение называется дилатацией. Винтовая дислокация характеризуется только областью сжатия кристаллической решетки.

Расчеты показывают, что величина упругих напряжений, созданных дислокацией, сравнима на расстояниях порядка 10³ с напряжениями скольжения дислокаций. Это значит, что между дислокациями может возникнуть сильное упругое взаимодействие, которое заставляет отталкиваться одноименные и притягиваться разноименные дислокации (рис. 3.16). при этом разноименные краевые и винтовые дислокации могут аннигилировать. У разноименных дислокаций векторы Бюргерса противоположны.

Рис. 3.16. Аннигиляция разноименных дислокаций

Вокруг любого точечного дефекта существует поле упругих напряжений (сжатие у междоузловых атомов, растяжение решетки у вакансий). Эти напряжения могут взаимодействовать с полями растяжений и сжатий дислокации.

Например, междоузельные атомы, размещаясь ниже лишней полуплоскости, уменьшают деформацию растяжения дислокации. Вакансии скапливаются в области сжатия дислокации. таким образом, взаимодействие точечных дефектов с дислокацией снимает существующее вокруг нее поле упругих напряжений и энергетически выгодно (рис.3.17).

Рис. 3.17. Распределение вакансий (а) и междоузленных атомов (б) вокруг краевой дислокации

Примесные атомы скапливаются вокруг дислокаций и препятствуют их скольжению (Атмосфера Коттрела). Закрепление дислокаций приводит к снижению пластичности и росту упругости кристалла.

Точное легирование определенными примесями позволяет изготавливать высококачественные стальные клинки с высокой прочностью и упругостью. Русский инженер XIX в. П.П. Аносов в г. Златоусте разработал технологию изготовления русского булата, не уступающего по качеству дамасской стали.

Скопление примесных атомов вдоль дислокаций может приводить не только к снижению механических напряжений, но и к образованию областей повышенной электропроводности.

Электрическое взаимодействие дислокаций с примесями может привести к образованию проводящих каналов в кристалле и к снижению пробивных напряжений p-n переходов.

Выводы

1. В реальных кристаллах всегда существуют различные дефекты разной природы.

2. Тепловые точечные дефекты имеют термодинамически равновесную концентрацию при любой температуре Т  0, описываются законом Аррениуса.

3. Радиационные дефекты всегда термодинамически неравновесны, после облучения требуют отжига.

4. Дислокации возникают при сдвиговых напряжениях, имеют два предельных вида и характеризуются вектором Бюргерса : краевая  и винтовая || .

5. Краевые дислокации могут скользить и переползать, линейные дислокации – только скользить. Дислокации разных знаков могут аннигилировать.

6. Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами может приводить к их закреплению и повышать прочность кристаллов, а также ухудшать электрические свойства полупроводниковых приборов.

24