Материал: Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений.

так и винтовую составляющие, вектор Бюргерса направлен к ли­ нии дислокации под некоторым углом (не равным 90°). Величина вектора Бюргерса характеризует мощность дислокации, т. е. сте­ пень искажения решетки, поскольку энергия дислокации пропор­ циональна квадрату вектора Бюргерса. Вектор Бюргерса — вели­ чина, кратная параметру решетки, а его значение определяется кристаллографической структурой кристалла.

Плотность дислокаций и ее определение. Число дислокаций в кристалле оценивается их плотностью, под которой понимается число линий дислокаций, пересекающих единицу площади (1 см2) в какой то части кристалла.

Практически это значение определяется путем подсчета числа так называемых ямок травления, образующихся в точках выхода линии дислокации, например на поверхность кристалла при хими­ ческой обработке этой поверхности подходящим реагентом (травителем). При такой обработке кристалла растворение вещества про­ исходит повсеместно, однако избыточная энергия деформации вбли­ зи дислокации приводит к более быстрому растворению вещества в этом месте, вызывая образование углубления (ямки) у выхода каждой линии дислокации. В результате этого на поверхности гра­ ни кристалла возникают так называемые фигуры травления. Число ямок на единице площади подсчитывается под микроскопом.

Возможные значения плотности дислокаций простираются от 102...103 см-2 (т. е. 100...1000 дислокаций на 1 см2) в наиболее со­ вершенных кристаллах до 10й ... 1012 см-2 и более в сильно дефор­ мированных кристаллах. Обычно в кристаллах металлов плотность дислокаций достигает 106...108 см-2, в ионных кристаллах 104...

108 см"2 и несколько меньше в кристаллах с ковалентной связью. Причины образования дислокаций. Энергия активации процес­ са образования дислокаций составляет значительную величину

порядка 10..Л00 эВ. Это означает, что не только при нормальной, но даже при температуре, близкой к температуре плавления, их равновесная концентрация должна быть очень мала. Однако, как уже указывалось, в реальных кристаллах плотность дислокаций достигает очень больших значений и редко бывает меньше 104...

108 см-2. Отсюда следует, что дислокации относятся к неравновес­ ным дефектам, при образовании которых энергия кристаллической решетки возрастает гораздо больше по сравнению с возрастанием за их счет энтропии и, следовательно, энергия Гиббса кристалли­ ческого тела увеличивается.

Энергия активации процесса возникновения дислокаций не мо­ жет быть обеспечена тепловым колебанием атомов. Одной из глав­ ных причин их образования является действие на кристалл внеш­ них механических напряжений, вызывающих в кристалле дефор­ мации сдвига, среза, изгиба и т. д. Обычным источником дислока­ ций являются, по-видимому, механические напряжения при росте кристаллов. Причиной образования дислокаций могут быть также термические напряжения в кристалле: при наличии перепада тем­ ператур его различные участки расширяются неодинаково, умень­ шение появляющихся при этом напряжений может происходить за

92

счет пластического течения с образованием дислокаций. По неко­ торым данным, источником образования дислокаций могут быть скопления вакансий. При охлаждении кристаллов в них может воз­ никнуть пересыщение вакансиями, ассоциация которых приведет к образованию богатых вакансиями областей, которые могут замы­ каться с образованием дислокационных петель, растущих по мере дальнейшего осаждения вакансий.

Свойства дислокаций. Прежде всего следует отметить, что дис­ локациям в кристалле условно приписывается определенный знак— положительный или отрица­ тельный. Краевые дислокации, лиш­ ние атомные плоскости которых ле­ жат в противоположных частях кри­ сталла относительно плоскости скольжения, обозначаются разными знаками. Например, дислокациям (рис. 19), лишние атомные плоско­ сти которых лежат выше плоскости скольжения тп, можно приписать знак плюс (или минус), тогда дис­ локациям с лишней атомной плос­ костью, лежащей ниже плоскости тп,— знак минус (или плюс). Вин­ товые дислокации также разделяют­

ся на положительные и отрицательные или, иначе, на право- и левовращающиеся в зависимости от направления закручивания атом­ ных плоскостей в кристалле — по или против часовой стрелки.

Дислокации имеют способность взаимодействовать друг с дру­ гом, при этом поскольку каждая дислокация создает вокруг себя область упругих искажений — поле деформации, перекрывающееся с полями деформации соседних дислокаций, это взаимодействие может осуществляться на расстояниях. Дислокации одного и того же знака отталкиваются, а противоположных знаков притягивают­ ся. Притяжение дислокаций может привести к их аннигиляции, т. е. взаимному уничтожению. Представим себе лежащие в одной плос­ кости скольжения две краевые дислокации противоположного зна­ ка, что равносильно наличию двух лишних атомных полуплоско­ стей, лежащих по обе стороны от плоскости скольжения. При их сближении эти полуплоскости могут выстроиться друг над другом, образуя нормальную атомную плоскость, что означает уничтожение дислокаций.

Одним из важных свойств дислокаций, оказывающих большое влияние на некоторые свойства кристаллов, является их способ­ ность к движению в решетке кристаллов и размножению в процес­ се этого движения.

Дислокации передвигаются в кристалле под влиянием внешних напряжений, например приложенных к кристаллу нагрузок. При этом важно отметить, что энергия активации процесса движения

93

дислокаций весьма невелика, поэтому дислокации способны пере­

При движении скольжением линия дислокации перемещается в своей плоскости скольжения параллельно вектору Бюргерса. Схе-

G

матически это движение для краевой дислокации иллюстрируется на рис. 20. Пусть в исходном состоянии кристалл имеет лишнюю полуплоскость GF. Под действием силы Р разрывается соседняя плоскость G'F'H, нижняя ее часть смыкается с полуплоскостью GF, образуя нормальную плоскость GH, а верхняя часть, сместившись вправо, образует новую полуплоскость G'F". Результатом этого будет перемещение линии краевой дислокации (проходящей через точки F и F" перпендикулярно плоскости рисунка) в своей плоско­ сти скольжения тп вправо параллельно вектору Бюргерса Ь. При подобном перемещении дислокации часть кристалла над плоско­ стью скольжения тп сдвигается на один период решетки (на ве­ личину вектора Бюргерса) по отношению к нижней части, что рав­ носильно пластической деформации кристалла. Следует обратить внимание на то, что при описанном перемещении линии дислока­ ции на одно межатомное расстояние смещение отдельных атомов оказывается малым по сравнению с величиной Ъ (т. е. перемеще­ ния или переноса материальных частиц практически не происхо­ дит), чем и объясняется то, что подобная коллективная атомная перестройка, обеспечивающая движение дислокаций, может проис­ ходить под действием сравнительно небольших сил.

Иную физическую природу имеет движение дислокаций пере­ ползанием. При этом движении линия дислокации перемещается в направлении, перпендикулярном плоскости скольжения и вектору

94

Бюргерса, т. е. линия дислокации переходит из одной плоскости скольжения в другую. Схематически этот процесс можно предста­ вить следующим образом (рис. 21). Допустим, что в кристалле с краевой дислокацией линия дислокации проходит через точку F {FG — лишняя атомная полуплоскость). Предположим, что атом из регулярного узла решетки 1 перешел, оставляя в узле вакансию, в положение F", как бы достраивая полуплоскость FG, другой атом из узла 2 перешел в положение F'" и т. д. Указанный процесс бу­ дет равносилен перемещению линии дислокации вниз перпендику­ лярно вектору Бюргерса из одной плоскости скольжения (тп) в другие (т"п" и т. д.). Можно представить и обратный процесс. Атом из положения F на краю лишней полуплоскости переходит, оставляя там вакансию, в какой-либо незанятый узел решетки 3,

связано с массопереносом вещества — диффузией атомов (и соот­ ветственно вакансий) в решетке. Это требует дополнительной энер­ гии активации, поэтому движение переползанием является более трудным, чем движение скольжения, осуществляется более медлен­ но и только при сравнительно высоких температурах, обеспечиваю­ щих энергичное тепловое движение частиц. Из описанного механиз­ ма движения дислокаций переползанием следует, что подобное дви­ жение сопровождается образованием вакансий или, наоборот, их исчезновением, другими словами, дислокации могут являться источ­ ником или ловушкой («стоком») вакансий.

Винтовые дислокации могут передвигаться скольжением в на­ правлении, перпендикулярном линии дислокации в плоскости скольжения или в направлении, перпендикулярном последней, но в противоположность краевым дислокациям не могут двигаться за счет диффузии атомов.

В реальных кристаллах обычно существуют препятствия раз­ личного характера, затрудняющие движение дислокаций. При встрече в процессе движения дислокации могут сливаться, образуя новую дислокацию (ее вектор Бюргерса равен сумме векторов Бюргерса исходных дислокаций), динамические свойства которой могут резко отличаться от свойств исходных дислокаций, в част­ ности, она может оказаться не способной к легкому перемещению за счет скольжения (такая дислокация называется сидячей). Это объясняется тем, что плоскость скольжения, формально задаваемая линией дислокации и ее вектором Бюргерса, совпадает с некоторой кристаллографической плоскостью в кристалле. Однако далеко не всякая кристаллографическая плоскость является плоскостью лег­ кого скольжения (набор системы плоскостей скольжения в кристал­ ле определяется особенностями его структуры). Если при образо­ вании новой дислокации ее линия оказывается в подобной плоско­ сти, движение дислокации будет затруднено и она превратится в

95

с и д я ч у ю д и с л о к а ц и ю . Сидячая дислокация как бы блоки­ рует движение других дислокаций, являясь стопором для их дви­ жения. Отсюда следует, что взаимодействие дислокаций может ме­ шать процессу их движения.

Препятствием для движения дислокаций могут служить мелко­ дисперсные частицы другой фазы, как бы закрепляющие линию дислокации на ее отдельных участках. Эти частицы останавлива­ ют движение дислокаций и возле них может возникнуть их скоп­ ление. Возникающие в результате этого напряжения на головную дислокацию, задерживаемую частицей примеси, способны заставить ее выйти (переползти) из своей плоскости скольжения в плоскость над или под препятствием, где она может миновать препятствие.

Существует и еще одна причина, которая может затруднять движение дислокаций. Вблизи линии дислокации всегда существу­ ет область повышенной концентрации точечных дефектов — так на­ зываемая а т м о с ф е р а К о т т р е л я . В частности, при краевой дислокации над плоскостью скольжения со стороны лишней полу­ плоскости возникает избыточное число вакансий, а под плоскостью скольжения — избыточное содержание межузельных атомов. Линии дислокации, кроме того, представляют собой области повышенной концентрации примесных атомов в кристалле. Наличие «облака» примесных атомов вдоль линии дислокации блокирует ее, вследст­ вие чего дислокация полностью затормаживается или движется, но очень медленно, вместе с окружающим ее облаком примесных ато­ мов.

Одним из важных свойств дислокаций является их способность при движении к размножению. Возможным механизмом этого про­ цесса является механизм Франка — Рида. Линия дислокации на своих концах закреплена (примесями, точками пересечения с по­ верхностью кристалла или с другими дислокациями). Когда к кри­ сталлу прикладывается внешнее напряжение, линия дислокации, закрепленная в двух точках, начинает прогибаться и удлиняться с образованием петли, а ее концы вращаются вокруг точки закреп­ ления. При превышении определенного значения напряжения обра­ зовавшаяся петля отрывается, образуя новую дислокацию, причем породившая ее старая дислокация остается. Этот процесс теорети­ чески может повторяться бесконечно.

Влияние дислокаций на свойства кристаллических тел. Понятие о дислокациях было введено в 30-х годах XX в. Я- И. Френкелем, Д. И. Тейлором, Е. Орованом и др. Теория дислокаций, разраба­ тываемая впоследствии многими учеными, оказалась чрезвычайно плодотворной и позволила объяснить особенности многих важных свойств кристаллических тел и процессов с их участием. Теорети­ ческие предсказания, касающиеся влияния этого типа несовер­ шенств решетки на свойства кристаллических тел, были блестяще подтверждены практически. Более того, в 50-х годах наличие в кри­ сталлах дислокаций было доказано их непосредственным наблю­ дением. В частности, краевые дислокации в виде лишних атомных

96