Материал: Физика металлов и дефекты кристаллического строения

Максимальное значение, которое имеет энергия электрического взаимодействия при комнатной температуре, составляет 0,02 эВ. В табл. 6.2 приведены обобщенные ориентировочные данные об энергии связи между дислокациями и различными точечными дефектами в металлах (мет) и полупроводниках (пп).

Из таблицы следует, что важнейшим видом взаимодействия является упругое (размерное). Если же оно не велико (Аг/г0 мало), то удельный вклад других видов взаимодействия стано­ вится сопоставим с ним.

6.10. ПЛОСКИЕ ДЕФЕКТЫ

Обычно применяемые в технике металлы представляют со­ бой поликристаллические тела, т. е. тела, состоящие не из од­ ного монокристалла, а из их множества. Такие кристаллы алло- триоморфны, т. е. их огранка нерегулярна и не отражает сим­ метрии внутренней структуры, а сами кристаллы между собой различаются ориентировкой решеток. Поэтому их называют кристаллитами, или зернами, а области изменения их ориента­ ции— границами кристаллитов, или зерен. Если система неод­ нородна, то кроме кристаллографического несоответствия кри­ сталлиты (зерна) могут различаться по структуре и химиче­ скому составу.

Зерна в однофазной системе могут иметь либо совершенно случайную ориентацию, либо некоторую предпочтительную, об­ условленную механической, термической или какой-то другой обработкой. Но независимо от состояния сами зерна не пред­ ставляют единого кристаллического тела, а имеют блочную, мозаичную структуру. Поэтому в металлах наряду с точечными и линейными присутствуют дефекты других видов: плоские и объемные.

Под плоскими, или, как их называют, поверхностными де­ фектами понимают такие нарушения в идеальном расположе­ нии атомов, которые имеют большую протяженность в двух на­ правлениях и незначительную протяженность в третьем, перпен­

дикулярном к двум первым. К плоским дефектам относятся де­ фекты упаковки, которые возникают в результате расщепления полных дислокаций на частичные, малоугловые дислокацион­ ные границы (субграницы или границы субзерен, блоков, обла­ стей когерентного рассеяния), большеугловые границы (гра­ ницы зерен или кристаллитов), двойниковые границы, внешние поверхности кристалла, межфазные границы, межчастичные границы (в порошковых металлах).

Под малоугловыми границами понимают стабильные конфи­ гурации (нарушения кристаллического строения) с низкой энер­ гией, которые могут быть представлены рядом равноотстоящих дислокаций, принадлежащих разным совокупностям, разделяю­ щих области кристалла, ориентация которых отличается друг от друга на угол менее 5°. Важнейшее свойство малоугловых границ —у них нет дальнедействующего поля напряжений.

Если расстояние между дислокациями меньше нескольких межплоскостных расстояний (например, меньше пяти), трудно различить отдельные дислокации. Такие скопления дислокаций образуют так называемые большеугловые границы.

Любая граница как между отдельными частями зерна или

сталла. В результате изменения конфигурации и межатомных расстояний энергия, приходящаяся на атом в районе границы, много больше, чем во внутренних областях кристалла, и вся избыточная энергия несовпадения может рассматриваться как локализованная вблизи поверхности раздела. Толщина пере­ ходной области между двумя решетками кристаллитов неве­ лика. Поэтому границы зерен макроскопически можно рас­ сматривать как поверхности нарушения непрерывности.

По своей структуре границы подразделяются на три типа: некогерентные, полукогерентные и когерентные.

Некогерентная граница раздела фаз аналогична большеуг­ ловым границам зерен. Структура такой границы разупорядочена.

Когерентная граница — малоразориентированная граница эпитаксильно выращенных слоев или когерентных выделений с решеткой, близкой к решетке металла. Примером полностью когерентной поверхности может служить плоская граница раз­ дела двух двойников, являющаяся плоскостью двойникования (см. рис. 6.22). В этом случае точки решетки сопрягаются на по­ верхности раздела, и «соответственные» ряды и плоскости реше­ ток не прерываются на этой поверхности раздела, а лишь изме­ няют направление при переходе от одной структуры к другой.

Прототипом полукогерентной границы является малоугловая граница зерна. Поверхность такой границы раздела может быть представлена участками полной когерентности, достигну­

той в результате упругих искажений решеток, разделенных об­ ластями несоответствия.

Нарушения в расположении атомов на границе приводят к нарушению идеального расположения атомов в областях, уда­ ленных от границ, вызывая тем самым небольшие смещения внутренних атомов. Эти смещения быстро уменьшаются с рас­ стоянием от границы и на достаточных расстояниях эквива­ лентны упругим деформациям решеток. В связи с этим выра­ жение для энергии границ содержит два члена, один из кото­ рых представляет собой энергию несовпадения, локализован-

стройки на понижение энергии.

Следовательно, границы зерен, разделяющие решетки с от­ носительно большой разориентацией, обладают большей энер­ гией, локализованной вблизи поверхности раздела, а границы, разделяющие решетки с малой разориентацией, имеют значи­ тельно меньшую энергию, заключенную в намного большем объеме. Это явление приводит к тому, что чем меньше разориентация, тем больше расстояние, на котором происходит пе­ рестройка атомов, тем шире граница.

При небольших разориентациях граничную область следует рассматривать как поверхность, вдоль которой нарушения в идеальном расположении наблюдаются лишь для отдельных атомов. Границы такого типа в твердых телах рассматриваются как подукогерентные, центрами искажений в которых являются дислокации, определенным образом распределенные в поверх­ ности раздела. На рис. 6.31 приведена схема простой эпитакси­ альной межфазной границы, содержащей нарушения непрерыв­ ности типа краевых дислокаций. При движении границы снизу

вверх структура ABCD верхней части кристалла переходит в структуру, соответствующую нижней части: D'ABC'. Простей­

шей моделью такой границы может являться малоугловая гра­ ница, которая представляет собой границу раздела стыкую­ щихся между собой субзереи (блоков), связанных относительно друг друга поворотом на угол 6 вокруг оси, лежащей в пло­ скости границы. Дислокационная модель такой границы была представлена на рис, 6,16, В атомном масштабе поверхность раздела представляет собой не плоскую, а ступенчатую поверх­ ность, каждая ступенька которой соответствует краю атомной плоскости (см, рис. 6.16,а). При сопряжении обеих поверхно­ стей эти ступеньки являются краевыми дислокациями (см. рис, 6.16,6).

Рассмотренный пример соответствует простой кубической ре­ шетке. Приведенные на рис. 6.16,6 границы называются грани­ цами наклона и представляют собой стенки из параллельных

Если соседние субзерна повернуты относительно друг друга на угол 0 вокруг оси, перпендикулярно в плоскости границ, то граница состоит из сетки винтовых дислокаций и называется границей кручения. Следовательно, образование субграниц кру­

чения необходимо связывать с наличием не менее двух систем дислокаций.

Смешанные границы имеют более сложное строение и вклю­ чают в себя элементы границ наклона и кручения.

Таким образом, субграницы образуются под действием ре­ зультирующих полей упругих напряжений в результате терми­ чески активируемого выстраивания дислокаций в стенки или сетки. Методом обнаружения таких границ является травление, при котором границы субзерен выявляются в виде цепочек ямок, представляющих собой места выхода дислокаций на по­ верхность кристалла. Если плотность дислокаций на границе невелика и угол разориентировки 0 мал, то места выхода дис­ локаций отстоят одно от другого на расстояниях, значительно превышающих межатомные, а поэтому они легко выявляются раздельно. Если угол 0 велик (больше нескольких минут), то выходы дислокаций расположены так близко один от другого, что ямки травления сливаются в одну сплошную линию.

К границам с большим углом разориентировки относятся границы общего типа, в частности межзеренные границы с уг­ лом разориентировки, превышающим 10°. Для них характерно отсутствие корреляции в расположении атомов в приграничном

слое, в результате чего положение атомов в большеугловых гра­ ницах может быть описано только статистическим методом. Со­ гласно мнению большинства исследователей, ширина большеуг­ ловых границ невелика и составляет 3—5 межатомных расстоя­ ний. Энергия большеугловых границ, например зерен, может быть выражена уравнением

£ гр = 2£о0 (А — In 6),

где Е0 и А — константы материала; 0 —угол разориентировки. В металлах при больших степенях пластической деформации может возникать особый тип незамкнутых большеугловых гра­

ниц, которые могут быть описаны с помощью дислокаций. Большеугловые границы, например границы зерен, при по­

мощи диффузионного механизма могут мигрировать (переме­ щаться), а также выполнять роль источников и стоков дефек­ тов кристаллического строения.

Ранее на примере ГЦК-решетки было показано, что при на­ рушении закономерностей укладки плотноупакованных слоев, характерных для таких решеток, могут образовываться или де­ фекты упаковки, или дефекты двойникового типа (см. рис. 6.22). Двойникование можно представить как результат поворота ре­ шетки вокруг определенного направления, при котором кри­ сталл делится плоскостью двойникования на две части, являю­ щиеся зеркальным отражением друг друга. Плоскость двойни­ кования, соединяющая обе части кристалла, является пло­ скостью зеркального отражения. Величина смещения атомов в каждой из параллельных плоскостей пропорциональна рас­ стоянию данной плоскости от плоскости двойникования.

Граница двойников есть граница с высокой степенью совпа­ дения. В предельных случаях наблюдаются атомные совпаде­ ния на границе, которые представляют собой как бы единый дефект упаковки, разделяющий две области кристалла с проти­ воположно повторяющейся последовательностью расположения атомных плоскостей. Энергия такой когерентной двойниковой границы не велика и составляет менее 10 % энергии произволь­ ных границ зерен в металле. Плоскость реальных границ обыч­ но несколько отклоняется от идеальной плоскости двойникова­ ния. Поэтому на границах образуются выступы, являющиеся частичными дислокациями (двойниковыми). Перемещение двой­ никовых границ имеет недиффузионный характер.

Для каждого типа кристаллической структуры существуют свои предпочтительные плоскости и направления двойникова­ ния. Так, например, для ОЦК-структуры это (112) и [111], для ГЦК —(111) и [112], для ГПУ —(1012).

Кроме рассмотренных встречается еще ряд границ в спла­ вах. Например, антифазные границы, которые образуются в сплавах с дальним порядком. Эти границы разделяют анти­ фазные домены с разными схемами порядка и обладают боль­