Kittel-Ch-Vvedenie-v-fiziku-tverdogo-tela (1239153), страница 130
Текст из файла (страница 130)
Возможные значения плотности дислокаций простираются от 10> — 1О' см-' в наиболее совершенных кристаллах германия и кремния до 1Оп — 10" см-з в сильно деформированных металлических кристаллах. Сравни- 704 Рис. 20.14, Ямки травления на по. верхности (100) образцв германия вдоль границы с малым углам раз. ориентировки. Угол между крнстал. лами равен 27,5 угловой секунлы. Граница лежит в плоскости (011). Направление линни дислокации совпадает с направлением [100]. Вектор Бюргерса в данноч случае является кратчайшим нз векторов трансляпии решетки, а именно !Ь] = а/Ч'2 ~ =- 4,0 А.
(По Фогелю (11] ) Рнс. 20.15. Движение границы с малым углом разориентнровкн под действием напряжений в бнкристалле цинка. Граница видна в ниде вертикальной линии. Фотосьемка производилась при вертниальном освещении, так что по различию освещенностей на плоскости спайности легко выявляется наличие угла разориентиронки (2').
Неправильная горизонтальная линия указывает нэ пали. чне ступеньки на плоскости спайности и облегчает наблюдение перемещения границы, Кристалл закреплен слева; справа на христалл действует сила, приложенная перпендикулярно и плоскости фотографии. Вверху — исходное положение границы; внвзу — граница переместилась в обратном направлении (влево) на 0,4 мм, (Из работы Уошберна и Паркера (!2].) 23 Ч, Киттель тдил ицд тоз Методы определении плотности дислокаций Мзксямзльнзя аярсдслясмяя платность днсло.
кз .ня яз ! с»' Шярннз язобрз. женин Метод Толщина образ ы Электронная микро- скопия Рентгеновское излу- чение (на пропуска- нве) Рентгеновское излу- чение (на отражение) Декориронание Ямки травления — 100 А > (ОООЛ 10п — 10'з 10' — ! Оз 0,1 — 1,0 мм 10е (От 2 10т 4 1Оа к.2 мкм (пз1п ) — 50 мкм (псах.) 1О лаям (глубина фокуса) Без ограничения й мкм 0,5 мкн 0,5 мкм *) Ч Предел рззрсшсяяз адзан ямки.
Рвс. 20.16. Ячеистая структура, образованная трехмерными сетками дислокаций в деформированном кристалле алязмииия. (Р. К. Бзчвппй 706 тельная характеристика методов, используемых для определения плотности дислокаций, приведена в табл, 20,2 (на основе работы 113)).
В книге Амелинкса 114) превосходно изложены все современные методы наблюдения дислокаций. В литом металле или в отожжепных (медленно охлажденных) кристаллах дислокации либо сосредоточены в границах с малым углом разориентировки, либо образуют трехмерные сетки, которые, в свою очередь, образуют ячейки, как показано на рис. 20.16. В сильно деформированных кристаллах плотность дислокаций можно оценить по увеличению внутренней энергии, которое происходит в результате пластической деформации. Из формул (20.5) и (20.7) для энергии, приходящейся на единицу длины дислокации, можно приблизительно получить (6()з(4п)(п()с(го). Если значение /с сравнимо с расстоянием между дислокациями и г„Ь, то Й/г, = 10' и днслокационная энергия равна приблизительно 5.10-4 эрг/см, нлн около 8 эВ на атомную плоскость, через которую проходит дислокация.
Максимальная энергия, которую может запасти решетка за счет искажений, вызываемых сильной пластической деформацией, например скручиванием, растягиванием илв сжатием, измерялась калориметрнческими методами для ряда металлов. Если деформация не стишком велика, то в решетке накапливается примерно 10'/, энергии, затраченной на пластическое течение. Однако если пластическое течение продолжается, то величина накапливаемой кристаллом энергии приближается к насыщению.
Наблюдаемые значения накопленной энергии соответствуют примерно 10' эрг/см'. Если энергия дислокации па единицу ее длины равна б 10 — 4 эрг/см, то на ! смз кристалла придется примерно 10п дислокационных линий, т. е. плотность дислокаций будет составлять в среднем 10" см — з. Иначе говоря, через квадратную площадку со стороной 100 межатомпых расстояний будет проходить в среднем одна дислокация. Такая плотность дислокаций характерна для сильно деформированных металлов.
Возникла проблема о наличии дислокаций в литом металле и в отожженных кристаллах. Дислокации не являются термически равновесными дефектами, поскольку возрастание свободной энергии при их образовании далеко не компенсируется имеющим при этом место ростом энтропии. Дислокации должны поэтому образовываться перавновесным путем при затвердевании расплава и сохраняться даже после самого тщательного отжига.
Механизм образования дислокаций при затвердеваннп расплава неизвестен, хотя можно предполагать, что он связан с осаждением вакансий прн охлаждении кристалла. Вакансии, осаждающиеся вдоль существующей краевой дислокации, будут поглощать часть лишней атомной полуплоскости, в результате чего будет иметь место переползание дислокаций, заключающееся в движении дислокаций под прямыми углами к направленшо скольжения. Если в кристалле нет дислокаций, то он будет пересыщен вакансиями; за образованием днскообразных полостей может следовать пх захлопывание и образование дислокационных петель, которые растут по мере дальнейшего осаждения вакансий, как показано на рис.
20.17. Другая проблема, рассматриваемая ниже, возникла в связи с необходимостью объяснить очень резкое увелнченне плотности дислокаций, вызванное пластической деформацией. Измерения плотности дислокаций обычно показывают, что в процессе деформации плотность дислокаций возрастает примерно с 10'см-Я до 10" см ', т.
е. в 1000 раз. Е!е менее интересен и тот факт, что если бы дислокация двигалась пелностью в своей плоскости скольжения, то смещение происходило бы только иа одно 23* 707 ;*.:~г.",'!~1:,' микроскопический сниыок дислокационных петель, образовавшихся в результате скопления и слияния вакансий в твердом растворе А1 — 5зй 51я закаленного от 550 'С Спиралевидные дислокации образуются путем «переползания» ф винтовых дислокаций в 4Г результате осаждения вакансий.
Увеличение -"у Х43 000. (А. Е1йиш, С. Тйотаз) Рнс. 20.15. Схема, иллюстрирующая предлохгенпуго Франком н Ридом модель размножения дислокаций, Пока. завы последовательные этапы образования дислокацнонной петли из исходного отрезна ВС лпняи дислокации. Процесс пожег повторяться многократно. Рис. 20.19. Источник Франка — Рида в кремнии, декорированном медью. Снимок сделан в инфракрасном свете. Видны две уже образовавшиеся дислокациониые петли и третья, внутренняя, почти образо- вавшаяся [16]. межатомное расстояние, тогда как в действительности обычно наблюдаемое смещение составляет от 100 до 1000 межатомных расстояний. Размножение дислокаций и скольжение. Рассмотрим замкну.тую днслокационную петлю радиуса г, которая охватывает область того же радиуса, претерпевшую сдвиг.
Гакая дислокация будет частично винтовой, частично краевой, а на большей части длины — смешанного типа. Поскольку энергия деформаций, связанных с дислокационной петлей, возрастает пропорционально длине петли, последняя будет стремиться сократиться.
Однако если при этом действует скалывающее напря. жение, способствующее развитию скольжения, то петля будет стремиться расшириться. Отрезок дислокационной линии, закрепленной на конусе (рнс. 20.18), называется источником Франка — Рида '), и, как видно из рисунка, из него в одной и той же плоскости скольжения может развиться большое число «концентрических» дислокационных петель.
Этот н аналогичные типы механизмов размножения дислокаций приводят к возникновению скольжения и к возрастанию плотности дислокаций при пластической деформации. Прекрасный примеп дпслокационного источника показан на рис. 20.19. ПРОЧНОСТЬ СПЛАВОВ Чистые кристаллы обладают высокой пластичностью и текут при очень малых напряжениях. Существуют четыре основных способа упрочнения сплавов, позволяющих добиться того, чтобы материал выдерживал напряжения сдвига, достигающие !О и О. Эти способы следующие: 1) механическое торможение движения дислокаций, 2) закрепление дислокаций растворенными атомами, 3) противодействие движению дислокаций путем создания ближнего порядка и 4) увеличение плотности дислокаций, приводящее в результате к переплетению дислокаций.
Таким образом, успех применения любого механизма упрочнения зависит от того, насколько эффективно удается затормозить дви. жение дислокаций. Существует еще один, пятый механизм, сущность которого сводится к удалению из кристалла всех дислокаций. Этот способ пригоден для некоторых тонких нитевидных кристаллов (усов) и будет рассмотрен ниже в разделе, посвященном росту кристаллов. Наиболее непосредственным способом создания механического торможения дислокаций является введение в кристалл ') Источник Франка — Рида в описанном здесь классическом варианте наблюдается редко.
Чаше встречаются некоторые его модификации; см., ианример, работу Томаса 1!5). 709 Рис. 20.20. Дислокации„ закрепленные зтомэми примеси в МКО. Рвлсктронно-микроскапическзя фотография Томзсз и Уошберна.) мелких частиц другой фазы. Этот процесс имеет место при твердении стали, когда частицы карбида железа выпадают в железе, илн при тверденин алюминия, где выпадают частицы А)зСгг. Случай закрепления дислокаций атомами примеси показан на рис. 20.20. При упрочнении путем введения в кристалл мелких частиц. другой фазы возможны два случая: либо частица может деформироваться вместе с матрицсй, для чего требуется, чтобы частица пересекалась дислокацией, либо частица не пересекается дислокацией.
Если частица пе может быть разрушена дислокацией '), то напряжение, которое необходимо приложить, чтобы дислокация могла «прорваться» между частицами, расположенными на расстоянии т'. друг от друга в плоскости скольжения, определяется приблизительно соотношением а Ь и д (20. 12). Чем меньше расстояние между частицами Е, тем больше должно быть напряжение и, В самом начале процесса выпадения мелкодисперсной фазы й велико, а прочность мала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
