Материал: Физика металлов и дефекты кристаллического строения

ванная конфигурация межузельного атома, как и другие, пока­ занные на рис. 6.4, нестабильна: атом, находящийся в этой по­ зиции, быстро передвигается из центра куба в направлении к одному из ближайших соседей и образует расщепленную

К точечным дефектам относятся также и чужеродные атомы, расположенные в решетке основного металла. Получить металл без наличия примесей практически невозможно. Поэтому даже металл высокой чистоты, например в объеме 1 см3, содержит до 1013 чужих атомов. Вследствие их природы примесные атомы могут находиться в растворенном состоянии, в виде химических соединений или включений. В зависимости от механизма раст­ ворения они могут образовывать твердые растворы внедрения (см. рис. 6.2,Ai) или замещения (рис. 6.2,Л). В первом случае примесные атомы внедряются в междоузлия решетки основного металла, а во втором — замещают его атомы в узлах решетки (см. рис. 6.2). Так как чужеродные атомы по своей физической природе и размерам отличаются от атомов основного металла, то их наличие приводит к искажению кристаллической структу­ ры, вследствие чего они оказывают существенное влияние на механические и физико-химические свойства металла. Такие ато­ мы являются эффективными центрами рассеивания электрон­ ного газа, повышают электрическое и тепловое сопротивление, в полупроводниках создают новые энергетические уровни и при­ водят к возникновению примесной проводимости. Из сказанного следует, что образование дефекта кристаллического строения,

связанного с внедрением атомов в междоузлие, может происхо­ дить в результате внедрения как собственного атома, так и ато­ ма примеси.

Образование дефекта внедрения сопровождается возраста­ нием энергии кристалла. Это связано с тем, что при размеще­ нии атома в междоузлии между внедренными атомами и его окружением возникают значительные силы отталкивания. Энер­ гия образования дефекта внедрения зависит от типа кристалли­ ческой решетки, параметров атома внедрения и других факто­ ров, поэтому ее трудно рассчитывать. Однако в соответствии с (6.1) каждому кристаллу с N атомными узлами при опреде­ ленных условиях будет соответствовать равновесная концентра­ ция п.

В процессе образования растворов внедрения атомы приме­ си могут располагаться в междоузлиях при условии, что отно­ шение их атомных радиусов n /го ^ 0,59 (г\ — радиус атома при­ меси; го— радиус атома основного металла). Этому условию отвечают растворы внедрения атомов водорода, бора, углерода, азота и кислорода в решетках переходных металлов. Раствори­ мость атомов внедрения в решетках металлов тем выше, чем

больше размеры междоузлий атомов растворителя. При этом за размер межузельной поры принимают радиусы или диаметры сфер, которые могут быть без искажения вписаны в междоузлие.

Если энергия связи между вакансиями и атомами примеси положительна, то часть вакансий может связаться с атомами примеси. Это приводит к образованию комплексов вакансия— примесь, которые могут влиять на образование и миграцию вакансий в металлах.

В химических соединениях возможно большее разнообразие точечных дефектов, чем в кристаллах элементарных веществ. Конкретный вид дефекта в этом случае зависит от природы со­ единения, типа химической связи, кристаллической структуры, размера атомов и ионов, образующих химическое соединение и т. д.

Помимо вакансий и внедренных атомов в соединениях боль­ шое значение приобретают дефекты замещения, сущность кото­ рых заключается в том, что атомы элементов А и В, образую­ щих соединение АтВп, меняются в решетках местами. Такие дефекты называются антиструктурными, а само явление — антиструктурным разупорядочением. Встречается оно в тех слу­ чаях, когда размеры и электроотрицательность атомов А и В близки. Особенностью соединений АтВп является также образо­ вание вакансий вследствие отклонения их состава от стехиомет­ рического при образовании твердых растворов вычитания. В со­ единениях строго стехиометрического состава возможно образо­ вание нескольких типов дефектов, не нарушающих стехиометрии. К ним относятся дефекты Френкеля в каждой из подрешеток (количество вакансий в позиции данного компонента и количе­ ство его атомов в междоузлиях равны между собой); дефекты Шоттки, когда равны количества вакансий в каждой из под­ решеток, и т. д.

Более сложным, чем в элементарных кристаллах, является поведение примесей. Примеси могут замещать компоненты А или В> могут замещать одновременно пару соседних атомов А и В, образовывать разнообразные комплексы с атомами соеди­ нения и с вакансиями. В соединениях с большой областью гомо­ генности концентрация дефектов может меняться в широком интервале, достигая нескольких атомных процентов.

В металлических кристаллах к числу точечных дефектов мо­ гут быть отнесены и свободные, блуждающие в решетке метал­ ла электроны, представляющие собой электронный газ. Они также могут являться дополнительными центрами рассеяния, а создавая электрическое поле, воздействовать на решетку, вы­ зывая ее деформирование, особенно около себя. Если электрон отрывается от примесного атома, то образующийся ион также становится источником искажения решетки.

Важной особенностью точечных дефектов является их по­ движность. Особенно высокой подвижностью обладают вакан­

сии, скорость движения которых достигает очень больших зна­ чении по отношению к другим точечным дефектам (межузель­ ным атомам, примесным атомам). Сравнение скоростей дви­ жения дефектов вакансионного происхождения показывает, что в металлах с плотной упаковкой наибольшей подвижностью об­

сии и в более сложных вакансионных комплексах энергия акти­ визации перемещения существенно больше, чем у моновакансии, и значительно больше, чем у дивакансии. Установлено, что тривакансия является наименьшим вакансионным комплексом, ко­ торый обладает высокой устойчивостью и малой подвижностью. Эти качества характеризуют тривакансии как возможный мини­ мального размера зародыш при образовании поры. Скопление вакансий в какой-либо части кристалла нарушает его энерге­ тическое равновесие, что приводит к направленному движению вакансий и к расширению области вакансионной диффузионной пористости.

Что касается межузельных атомов, то их комплексы, напри­ мер сдвоенные межузельные атомы, наоборот, менее подвижны, чем одиночные.

Подвижность точечных дефектов в решетке обусловливает их взаимодействие между собой. Когда точечные дефекты оказы­ ваются в соседних узлах, они могут образовать так называемые ассоциаты дефектов, представляющие собой группы, или ком­ плексы, дефектов. Образование ассоциатов снижает свободную энергию системы. В энергетическом отношении наиболее вы­ годно взаимодействие пары вакансия — межузельный атом, ко­ торое приводит к их аннигиляции. Это — один из предельных случаев процесса восстановления решетки. Другим путем ис­ правления решетки является миграция точечных дефектов к фиксированным внешним стокам, т. е. уход точечных дефектов за пределы объема кристалла (за внешние границы кристалла, зерен, пор и т. д.).

6.3.ЛИНЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ

Внастоящее время существует много микроскопических мо­ делей дислокаций разного типа в кристаллах. Впервые понятие

дислокаций как несовершенств линейного вида было введено Дж. Тейлором в 1934 г. при попытке построить удовлетвори­

тельную теорию пластической деформации металлов. Исходя из несоответствия значений теоретического и реального скалываю­ щего напряжения (см. табл. 5.4), при которых начинается сдвиг, Дж. Тейлор предложил модель, согласно которой сдвиг одной части кристалла по отношению к другой может происходить

не при одновременном перемещении всех атомов, образующих данную плоскость скольжения, а при последовательном, как бы эстафетном перемещении атомов в кристалле. Чтобы сдвиг на­ чался, к кристаллу необходимо приложить скалывающее напря­ жение, действующее в плоскости скольжения вдоль плотноупакованного направления и большее некоторого определенного критического значения: тКрЭта критическая величина является характеристикой состояния материала и зависит от его пред­ шествующей (термической, механической и т. д.) обработки. Результатом сдвига является смещение по плоскости скольже­ ния ABCDA в направлении оси х верхней части кристалла по отношению к нижней (рис. 6.5, а). Однако при определенной

действующей силе т, в связи с неравномерным смещением атомных плоскостей, смещение атомов может ограничиться толь­ ко определенной областью, например площадью ABPQA, кото­ рая отделена от остальной плоскости скольжения линией PQ, называемой дислокационной. В результате такого неоднородно­ го сдвига в верхней части кристалла над плоскостью скольже­ ния окажется n + 1 атом, а в нижней — п атомов, что приводит к искажению кристаллической структуры в области, примы­ кающей к дислокационной линии: атомы по одну сторону пло­ скости скольжения будут сильно сжаты, а по другую растянуты (рис. 6.5,6). Из рис. 6.5,6, где показана примерная атомная структура в простом кубическом кристалле, следует, что линия дислокации PQ оказывается краем лишней атомной полуплоско­ сти, называемой экстраплоскостью PR (см. рис. 6.5,6), кото­ рая обрывается внутри кристалла. В связи с этим линию PQ называют краевой дислокацией. На схеме краевую дислокацию обозначают символом Т при положительной дислокации или 1. при отрицательной дислокации.

Нарушение кристаллической структуры при наличии дисло­ каций происходит только на незначительном расстоянии от ли­ нии PQ. Если дислокацию окружить трубкой (см. рис. 6.2 и 6.5,6) с радиусом порядка величины постоянной решетки, охва­ тывающей область существенного смещения атомов относитель­ но своих положений равновесия в идеальной решетке, то за пределами этой трубки кристалл можно считать идеальным, подвергнутым только упругим деформациям. Область, заклю­ ченная внутри трубки, называется ядром дислокации (/С), ши­ рина которого определяется природой сил связи металла. Обо­ значается ширина дислокации символом со.

т

Перемещение дислокации PQ под действием усилия т через весь кристалл: от одного края плоскости скольжения до дру­ гого — приводит к сдвигу совершенной решетки на расстояние, равное вектору Бюргерса (Ь), в данном случае равному меж­ атомному расстоянию (см. рис. 6.5,6).

Краевые дислокации взаимодействуют друг с другом: дисло­ кации одного знака отталкиваются друг от друга, разных — притягиваются. Если две краевые дислокации разных знаков, расположенные в одной плоскости, развести к краям кристалла, то это приведет к скольжению верхней половины кристалла влево относительно нижней, что эквивалентно движению одной дислокации через весь кристалл (рис. 6.6). При сближении дис­ локаций разного знака в одной плоскости они могут аннигили­ ровать, решетка становится совершенной. При сближении раз­ нозначных дислокаций, расположенных на смежных парал­ лельных плоскостях, их аннигиляция приводит к образованию точечных дефектов (вакансий или междоузельных атомов в за­ висимости от того, встречаются или перекрываются их экстра­ плоскости) .

Вторым основным типом дислокации является винтовая дис­