Тема 6.3. Взаимодействие дислокаций с вакансиями, межузельными и примесными атомами. Ат­мосферы коттрелла, снука и сузуки.

Взаимодействие дислокаций с межузельными атомами и вакансиями. Поле напряжений краевой дислокации притягивает вакансии и межузельные атомы: межузельные атомы притягиваются к области гидростатического растяжения, а вакансии – к области гидростатического сжатия. Поскольку энергия связи вакансии меньше, чем энергия связи межузельного атома, притяжение вакансий к дислокациям слабее.

Вакансии и межузельные атомы, притянувшись к краевой дислокации, аннигилируют на ее порогах: когда вакансия подходит к ступеньке и оседает на ней, порог смещается на одно межатомное расстояние; при подходе межузельного атома порог также смещается на одно межатомное расстояние, но противоположную сторону, а сам атом перестает существовать как межузельный и становится частью экстраплоскости.

Однако если межузельный атом является атомом примеси, то и после присоединения к краю экстраплоскости он сохраняет свою индивидуальность и образует атмосферу вдоль линии краевой дислокации, подобную атмосфере Коттрелла.

Смешанные дислокации упруго взаимодействуют с вакансиями и межузельными атомами в соответствии с их краевой компонентой.

Полагают, что вакансии могут притягиваться к дислокациям любого типа, в том числе и к винтовым дислокациям. Именно этим притяжением объясняют образование геликоидальных дислокаций, у которых линия дислокации закручена в правильную спираль. Геликоидальная дислокация, в отличие от винтовой дислокации, из которой она образовалась, является дислокацией смешанной.

Атмосферы Коттрелла. Поля напряжений вокруг дислокации и вокруг примесного атома упруго взаимодействуют.

В случае краевой дислокации межузельные атомы, мелкие примесные атомы внедрения и крупные примесные атомы замещения притягиваются к области гидростатического растяжения под краем экстраплоскости.

Энергия связи примесного атома с краевой дислокацией

Е = GbR_о³  sin/r,

где r и  - цилиндрические координаты примесного атома относительно линии и центра дислокации, причём  равно 0 в направлении вектора Бюргерса b; G - модуль сдвига,  = R_п - R_о / R_о - характеристика размерного несоответствия атомов растворителя с радиусом R_о и растворенных примесных атомов с радиусом R_п.

Чем больше это размерное несоответствие, тем больше энергия упругого взаимодействия. Область разрежения кристаллической решетки вблизи края экстраплоскости из-за избытка электронов имеет слабый отрицательный заряд, а область сжатия – слабый положительный заряд. Поэтому существует электрическое взаимодействие между дислокацией и примесным атомом, несущим тот или иной заряд (табл. 6.1). Однако это взаимодействие в металлах значительно слабее, чем упругое.

Табл. 6.1. Энергия связи точечных дефектов с краевой дислокацией

Точечный дефект	Еупр , эВ	Еэлектр , эВ	Еобщ , эВ
Межузельный атом (примесный или собственный)	0,2 - 0,5	0,02	0,2 - 0,5
Примесный атом замещения	0,05 - 0,1	0,02	0,05 - 0,1
Вакансия	0,02	0,02	0,04

Притяжение атомов примесей к краевым дислокациям приводит к окружению края экстраплоскости «облаками» из этих атомов. Такие облака примесных атомов называют атмосферами Коттрелла.

Винтовая дислокация не создает областей гидростатического растяжения и гидростатического сжатия и поэтому не способна притягивать дефекты, поле напряжений которых имеет сферическую симметрию.

Однако многие атомы примесей, особенно атомы внедрения, искажают кристаллическую решётку неодинаково в разных направлениях. Так ведут себя, например, атомы углерода в ОЦК решётке, когда они размещены в межузельных пустотах в центрах граней или посередине рёбер элементарной ячейки. Возникающие при этом тетрагональные искажения ОЦК решетки обусловливают взаимодействие примесей внедрения с полем касательных напряжений винтовой дислокации, и примеси притягиваются к дислокации. Считается, что это притяжение не слабее, чем притяжение примесных атомов к краевой дислокации.

Концентрация примесных атомов около дислокации в условиях термодинамического равновесия с = с_о · e ^Е/kТ ,

где с_о – средняя концентрация примеси в металле, Е – энергия связи, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

С повышением температуры атмосферы Коттрелла «рассасываются», а с понижением температуры концентрация примесей в них возрастает и может наступить такой момент, когда все возможные положения для примесных атомов вдоль линии дислокации окажутся занятыми. Такую атмосферу Коттрелла называют насыщенной или конденсированной.

Температура, ниже которой атмосфера Коттрелла будет насыщенной, определяется соотношением

Т_н = Е/kln·1/с_о.

Чем выше энергия связи, например, для атомов внедрения, тем до более высокой температуры атмосфера Коттрелла является насыщенной.

Атмосферы Снука. В ОЦК решетке в отсутствие напряжений атомы примесей внедрения равномерно заполняют межузельные пустоты вдоль трех направлений <100> (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Расположение атомов внедрения (х) в пустотах ОЦК решетки: а) без напряжений, б) при растягивающих напряжениях σ

В нешние напряжения растяжения увеличивают расстояния между атомами основного металла вдоль направления приложенного напряжения, и атомы примесей внедрения располагаются преимущественно вдоль этого направления (рис. 6.6, б). Такое упорядочение в расположении примесных атомов внедрения должно наблюдаться в поле напряжений и вокруг винтовой, и вокруг краевой дислокаций.

Область упорядоченного расположения примесных атомов внедрения вокруг линии дислокации называют атмосферой Снука.

В отличие от медленного образования атмосферы Коттрелла, связанного с диффузионным перемещением примесных атомов на большие расстояния, атмосфера Снука быстро возникает при перескоках этих атомов из одних межузельных пустот в соседние.

Атмосферы Сузуки. Дефект упаковки расщепленной дислокации в ГЦК решетке является тонкой прослойкой ГП решетки. В общем случае растворимость элементов в ГЦК и ГП решетках различна. Поэтому примесные атомы диффундируют в дефект упаковки или уходят из него, распределяясь между дефектом упаковки и основной кристаллической решеткой аналогично распределению атомов между двумя разными фазами.

Область измененной концентрации примесных атомов в дефекте упаковки расщепленной дислокации называют атмосферой Сузуки. Образование атмосфер Сузуки уменьшает энергию дефекта упаковки и тем самым приводит к увеличению ширины расщепленной дислокации.

В отличие от атмосфер Коттрелла, атмосферы Сузуки образуются и на краевых, и на винтовых дислокациях. Кроме того, из-за большой протяженности дефектов упаковки для насыщения атмосфер Сузуки требуется значительно большее количество примесных атомов, чем для насыщения атмосфер Коттрелла.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы результаты пересечения взаимно перпендикулярных крае­вых, краевой и винтовой или винтовых дислокаций?

2. Какие пороги образуются при пересечении дислокаций? Какими способами могут перемещаться эти пороги?

3. Как происходит движение дислокаций с короткими и длинными порогами? Какие дефекты кристаллического строения при этом образу­ются?

4. Каковы особенности процесса пересечения расщепленных дисло­каций?

5. Каковы результаты взаимодействия дислокаций с вакансиями и межузельными атомами?

6. Что представляют собой атмосферы Коттрелла? От чего и как за­висит равновесная концентрация примесных атомов около дислокаций?

7. Что представляют собой атмосферы Снука и Сузуки? В чем сос­тоит их отличие от атмосфер Коттрелла?