Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений - Горшков В.С.
ISBN 5-06-001389-8
Скачать (прямая ссылка):
Существует и еще одна причина, которая может затруднять движение дислокаций. Вблизи линии дислокации всегда существует область повышенной концентрации точечных дефектов — так называемая атмосфера Коттреля. В частности, при краевой дислокации над плоскостью скольжения со стороны лишней полуплоскости 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, вследствие чего дислокация полностью затормаживается или движется, но очень медленно, вместе с окружающим ее облаком примесных атомов.
Одним из важных свойств дислокаций является их способность при движении к размножению. Возможным механизмом этого процесса является механизм Франка — Рида. Линия дислокации на своих концах закреплена (примесями, точками пересечения с поверхностью кристалла или с другими дислокациями). Когда к кристаллу прикладывается внешнее напряжение, линия дислокации, закрепленная в двух точках, начинает прогибаться и удлиняться с образованием петли, а ее концы вращаются вокруг точки закрепления. При превышении определенного значения напряжения образовавшаяся петля отрывается, образуя новую дислокацию, причем породившая ее старая дислокация остается. Этот процесс теоретически 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, разрабатываемая впоследствии многими учеными, оказалась чрезвычайно плодотворной и позволила объяснить особенности многих важных свойств кристаллических тел и процессов с их участием. Теоретические предсказания, касающиеся влияния этого типа несовершенств решетки на свойства кристаллических тел, были блестяще подтверждены практически. Более того, в 50-х годах наличие в кристаллах дислокаций было доказано их непосредственным наблюдением. В частности, краевые дислокации в виде лишних атомных
96
плоскостей удалось наблюдать в кристаллах некоторых веществ под электронным микроскопом с большим разрешением (рис. 22). Следует отметить, что наблюдать линии дислокации в кристаллах можно и под обычным микроскопом, используя так называемый метод декорирования дислокаций. Посторонние атомы введенного в кристалл примесного вещества имеют тенденцию концентрироваться в дефектных областях кристалла и, в частности, у края оборванных плоскостей, т. е. вдоль линии краевой дислокации. Их скопления вдоль подобной декорированной атомами линии позволяет увидеть расположение дислокаций в кристалле.
Одним из свойств, решающим образом зависящим от наличия дислокаций, является прочность кристаллических тел. Зная структуру и энергию химической связи между атомами в кристалле, можно рассчитать силу, необходимую для деформации и разрушения идеального (т. е. не содержащего дефектов) кристалла, т. е. его теоретическую прочность. Опыт показывает, что те напряжения, при которых происходят деформации и разрушение реальных монокристаллов, т. е. их реальная прочность, оказываются в 102... 104 раз меньше рассчитанных теоретически. В настоящее время доказано, что причина высокой пластичности и пониженной прочности заключается в существовании в реальных кристаллах легко подвижных дефектов — дислокаций.
Чтобы в идеальном кристалле без дислокаций под влиянием внешней силы произошла пластическая деформация, т. е. сдвиг вдоль какой-то плоскости скольжения, необходим одновременно разрыв всех атомных плоскостей по всей плоскости скольжения. Для этого требуются большие усилия, что равносильно высокой прочности идеальных кристаллов. Иной механизм разрушения имеет место в реальных кристаллах, содержащих дислокации. Сущность его сводится к тому, что при наличии краевой дислокации сдвиг одной части кристалла по отношению к другой происходит не за счет одновременного разрыва всех атомных связей в плоскости скольжения, а путем постепенного (эстафетного) разрыва отдельных связей в ходе движения краевой дислокации скольжением, на что не требуется больших усилий. После того как начальные дислокации под влиянием небольших усилий начнут перемещаться, их движение ускоряется, число возрастает (размножение дислокаций), что приводит в конечном итоге к пластической деформа-4-191 97
Рис. 22. Атомные плоскости в кристалле одного из соединений платины (рамкой выделена область, в которой атомные плоскости изогнуты из-за наличия дислокаций)
ции кристалла. Следствием указанного механизма разрушения является пониженная прочность реальных кристаллов по сравнению с идеальными.
Известно, что увеличение температуры повышает пластичность любого материала. Это влияние также во многом связано с поведением дислокаций: при увеличении температуры уменьшаются напряжения, необходимые для движения дислокаций, и, кроме того, облегчается их способность к движению переползанием в другие плоскости скольжения, в результате чего скольжение начинает происходить по многим плоскостям. В М^О, например, напряжение, необходимое для движения дислокаций по плоскости (100) при комнатной температуре, в 50 раз больше, чем по плоскости (ПО), а при 1000°С эта разница снижается до 2—3 раз.
