ДИСЛОКАЦИИ

(от позднелат. dislocatio — смещение), дефекты кристалла, представляющие собой линии, вдоль и вблизи к-рых нарушено характерное для кристалла правильное расположение ат. плоскостей. Механические свойства кристаллов — прочность и пластичность в значительной мере обусловлены существованием Д. и их движением.

Рис. 1. Краевая дислокация: слева — обрыв ат. плоскости внутри кристалла; справа — схема образования краевой дислокации.

Простейшими видами Д. явл. краевая и винтовая Д. Краевая Д. представляет собой линию, вдоль к-рой обрывается внутри кристалла край «лишней» полуплоскости (рис. 1, слева). Её образование можно описать при помощи след. операции: надрезать кристалл по плоскости АВCD (рис. 1, справа), сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решётки 6 в направлении, перпендикулярном к АВ, а затем вновь сблизить атомы на противоположных краях разреза внизу. Вектор b, длина к-рого равна величине сдвига, наз. вектором Б ю р г е р с а. Электронные микроскопы с большой разрешающей способностью позволяют наблюдать специфичное для краевой Д. расположение ат. плоскостей, представленное на рис. 1. Плоскость, проходящая через вектор b и линию Д., наз. плоскостью скольжения.

Рис. 2. Винтовая дислокация: слева — схема образования винтовой дислокации; посредине — расположение атомов в кристалле с винтовой дислокацией (атомы располагаются в вершинах кубиков); справа — расположение атомов в плоскости ABCD.

Если вектор сдвига b не перпендикулярен, а параллелен границе надреза АВ, то получается винтовая Д. (рис. 2, слева). Винтовая Д. имеет неск. плоскостей скольжения. Кристалл с винтовой Д. фактически состоит из одной ат. плоскости, приблизительно перпендикулярной оси винтовой Д. и закрученной в виде пологого геликоида (рис. 2, посредине). В точке выхода винтовой Д. на внешнюю поверхность кристалла (рис. 2, справа) возникает ступенька AD, равная по высоте проекции вектора b на нормаль к поверхности. В процессе кристаллизации атомы в-ва, выпадающие из пара или р-ра, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла (рис. 3).

Рис. 3. Спираль роста на поверхности кристалла парафина; ступень роста обрывается в точке выхода винтовой дислокации на поверхность.

Рис. 4. Поля упругих напряжений вокруг краевых дислокаций в кристалле кремния, выявленные методом фотоупругости. Дислокации пронизывают пластинку кремния перпендикулярно к плоскости рисунка.

Между предельными случаями краевой и винтовой Д. возможны любые промежуточные. В общем случае линия Д. может представлять собой произвольную пространств. кривую, вдоль к-рой вектор Бюргерса остаётся постоянным (и равным к.-л. вектору трансляции решётки), хотя ориентация Д. может изменяться.

Линии Д. не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петли, либо разветвляться на неск. Д., либо выходить на поверхность кристалла.

Рис. 5. а и б — отталкивающиеся и притягивающиеся дислокации; в и г — аннигиляция притягивающихся дислокаций.

Плотность Д. в кристалле определяется как ср. число линий Д., пересекающих внутри тела площадку в 1 м2, или как суммарная длина Д. в 1 м3. Плотность Д. обычно колеблется от 106 до 107 на 1 м2 в наиб. совершенных монокристаллах и до 1015—1016 на 1 м2 в сильно искаженных (наклёпанных) металлах (см. ниже).

Участки кристалла вблизи Д. находятся в упругонапряжённом состоянии. Напряжения убывают обратно пропорц. расстоянию от Д. Поля напряжений вблизи отдельных Д. выявляются (в прозрачных кристаллах с низкой плотностью Д.) с помощью поляризов. света (рис. 4). Величина упругой энергии, обусловленной полем напряжений Д., пропорц. b2 и составляет обычно =10-13 Дж на 1 м длины Д. При сближении двух Д. с одинаковыми векторами b (рис. 5, а) упругие напряжения около Д. увеличиваются и Д. отталкиваются. При сближении Д. с противоположными векторами Бюргерса их упругие поля взаимно компенсируются (рис. 5, б, в, г); Д. притягиваются и аннигилируют.

Движение дислокаций. Поскольку Д. обладает собств. полем напряжений, она под действием внешних приложенных к кристаллу напряжений испытывает силу, под действием к-рой приходит в движение, результатом чего является взаимное «проскальзывание» ат. плоскостей —пластич. деформация.

При перемещении Д. в плоскости скольжения в каждый данный момент разрываются и пересоединяются связи не между всеми атомами на плоскости скольжения, а только между теми атомами, к-рые находятся у линии Д. (рис. 6). Поэтому пластическая деформация сдвига может происходить при сравнительно малых внеш. напряжениях. Эти напряжения на неск. порядков ниже, чем напряжение, при к-ром может пластически деформироваться совершенный кристалл без Д. путём разрыва всех межат. связей в плоскости скольжения (теор. прочность на сдвиг, (см. ПЛАСТИЧНОСТЬ).

Движение краевых Д. по нормали к плоскости скольжения (п е р е п о л з а н и е) осуществляется путём присоединения или отрыва вакансий от края плоскости (рис. 7). Оно связано с диффузионным переносом массы, пластич. деформацией и происходит при высоких темп-рах.

Рис. 6. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и пересоединением межат. связей атомов у линии дислокации.

Подвижность дислокаций. Движению Д. препятствует не только прочность разрываемых межат. связей, но и рассеяние фононов и электронов проводимости в упруго искажённой области кристалла, окружающей движущиеся Д. Движению Д. мешают также упругое вз-ствие с др. Д. и с примесными атомами, межзёренные границы в поликристаллах, ч-цы др. фазы в распадающихся сплавах, двойники (см. ДВОЙНИКОВАНИЕ) и др. дефекты в кристаллах. На преодоление этих препятствий тратится часть работы внеш. сил. Т. о., кристалл с Д. «мягче» бездефектного кристалла, но если он «набит» Д. и др. дефектами настолько, что они мешают друг другу, то кристалл снова становится «жёстким».

Рис. 7. Переползание краевой дислокации. Атомы лишней полуплоскости переходят в вакантные узлы решётки.

Образование и исчезновение дислокаций. Обычно Д. возникают при образовании кристалла из расплава или из газообразной фазы (см. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ). Методы выращивания бездислокац. монокристаллов очень сложны и разработаны только для немногих в-в. После тщательного отжига кристаллы содержат обычно 108—109 Д. на 1 м2. Притягивающиеся Д. с противоположными векторами Бюргерса, лежащие в одной плоскости скольжения, при сближении уничтожают друг друга (аннигилируют, рис. 5, б, в, г). Если такие Д. лежат в разных плоскостях скольжения, то для их аннигиляции требуется переползание. Поэтому при высокотемпературном отжиге, способствующем переползанию, плотность Д. понижается. Искривление ат. плоскостей вблизи Д. изменяет сечение рассеяния рентг. лучей и эл-нов. На этом основаны рентг. и электронно-микроскопич. методы наблюдения Д. (рис. 8).

Основными механизмами размножения Д. в ходе пластич. деформации являются т. н. источники Франка — Рида и двойное поперечное скольжение. Источником Франка — Рида может служить отрезок Д., закрепленный на концах. Под приложенным напряжением он прогибается, пока не отщепится замкнутая петля Д. и восстановится исходный отрезок. При двойном поперечном скольжении точками закрепления служат концы отрезков винтовой Д., вышедшей в др. плоскость скольжения и повернувшей затем в плоскость, параллельную первичной.

Рис. 8. Электронно-микроскопич. снимок дислокац. структуры кристалла хрома после высокотемпературной деформации

Дислокационная структура деформированных кристаллов. Разрушение. С ростом пластич. деформации число Д. растёт, ср. расстояния между ними сокращаются, их поля упругих напряжений взаимно перекрываются и скольжение Д. затрудняется (деформац. упрочнение). Чтобы скольжение Д. могло продолжаться, приложенное внеш. напряжение необходимо повысить. При дальнейшем размножении Д. внутр. напряжения могут достигать значений, близких к теор. прочности. При превышении предела прочности наступает разрушение кристалла — зарождаются и растут микротрещины (рис. 9).

Рис. 9. Ат. плоскости, окаймляющие трещину в кристалле фталоцианида меди: а — электронно-микроскопич. фото/рафия (межплоскостное расстояние 12,6 А); б — схема расположения ат. плоскостей.

Влияние дислокаций на физические свойства кристаллов. Д. влияют не только на такие механич. св-ва, как пластичность и прочность, для к-рых присутствие Д. явл. определяющим, но и на др. физ. св-ва кристаллов. Напр., с увеличением плотности Д. возрастает внутреннее трение, изменяются оптич. св-ва, повышается электросопротивление металлов. Д. увеличивают ср. скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и др. процессы, связанные с диффузией, уменьшают хим. стойкость кристалла, так что в результате обработки поверхности кристалла спец. в-вами (травителями) в местах выхода Д. образуются видимые ямки. На этом основано выявление Д. в непрозрачных материалах методом избирательного травления (рис. 10).

Рис 10. Ряды дислокаций в плоскостях скольжения в кристалле LiF, выявленные. методом травления. Косые ряды — краевые дислокации, вертикальный ряд — винтовые.