Плотность дислокаций для разных состояний материала

Таблица 13.1

Плотность дислокаций определяют по ямкам травления. При 10²число дислокации на см² каждой грани кристалла становится примерно равным. Разрешение метода , (В области выхода дислокаций

на поверхность кристалла травимость повышается и образуются «ямки» травления). Просвечивающая электронная микроскопия позволяет определить Рентгеновским методом можно

контролировать Метод ямок травления даёт заниженные

значения плотности.

Если низкая прочность наблюдается из-за высокой подвижности дислокаций, то прочность сплавов можно повысить двумя путями:

1) созданием бездислокационных структур; 2) блокировкой (закреплением) дислокаций в сплаве.

Нитевидные кристаллы высокой чистоты (так называемые "усы") можно вырастить практически бездислокацианными. Их предел прочности достигает 75% от теоретического. Столь высокая прочность объясняется не только отсутствием дислокаций в объеме кристалла, но и отсутствием поверхностных нарушений, которые могли бы служить концентраторами напряжений и местами зарождений дислокаций. "Усы" имеют почти ювенильную поверхность, на которой даже при увеличении в 40 тыс. раз не удалось обнаружить никаких микронеровностей. Тугоплавкие металлы, армированные сапфировыми или графитовыми "усами" имеют прочность

достигающую - теоретической. Одинг получил для Fe следующую

зависимость (рис. 13.4) от количества дефектов, справедливую для любых металлов. Рост предела прочности с увеличением количества дефектов объясняется снижением подвижности дислокаций, ввиду их высокой плотности.

Рис. 13.4. Влияние дефектов на прочность металла

Здесь уже начинают играть роль пересечения и взаимодействия дислокаций своими упругими полями (металл наклепыватся).

Ill

Понизить подвижность дислокации можно не только за счет увеличения их плотности при прокатке, ковке, штамповке, прессовании, волочении и т.п., но и при легировании. Примесные атомы или выделения второй фазы будут стопорами для дислокаций. При этом прочность можно

довести до

При плотности дислокаций на расстояние между ними

сокращается до нескольких параметров решетки, приводя к сильному взаимодействию и слиянию, с образованием микротрещин. Длина дислокационных линий в сплавах обычно составляет мкм.

Ширина области наибольших искажений в зоне края экстраплоскости - 5 -10 атомных слоев. При движении дислокации перемещается не вся экстраплоскость, а только атомы нижнего её края. Таким образом, дислокацию можно представить как нить, способную изгибаться под действием напряжений, цепляться за атомы примесей и включения второй фазы, другие дислокации и дефекты и пр. Дислокации в металле образуют как бы тканевый ячеистый материал с высокой прочностью. Чем выше была исходная плотность дислокаций, тем труднее деформировать металл. Легирующие атомы примесей играют роль "гвоздиков", закрепляющих дислокационные линии к кристаллической решетке.

Дислокации увеличивают электросопротивление, меняют магнитные свойства. Именно дислокации держат ключ от мира прочности кристаллических материалов. Присутствие примеси может повысить предел прочности в несколько раз.

Различают следующие типы дефектов;

1. точечные или нульмерные: межузельные атомы растворителя или примеси в порах (например, твердый раствор внедрения углерода, бора,

азота, и др. в решетке матрицы), узлах решетки растворителя (раствор замещения); вакансии;

2. одномерные дефекты, дислокации краевые, винтовые и
смешанные;

3. поверхностные дефекты (основной вид дефектов поликристалла):
малоугловые дислокационные границы зерен (угол разориентировки
решеток менее 5-10°), высокоугловые границы зерен, границы субзерен
(разориентировка решеток в пределах до

4. Макродефекты.

Выводы

1. Причиной несоответствия теоретической и реальной прочности
являются дислокации - линейные дефекты, образующие в отожженных
кристаллах 3-х мерную дислокационную сетку.

2. При деформации кристалла разрыв межатомных связей происхо-
дит только вдоль линии дислокации, которая представляет собой границу
зоны сдвига.

3. Взаимодействие дислокаций приводит к упрочнению материала,

4. Снижая подвижность дислокаций можно повысить прочность
металлов и сплавов.

ЛЕКЦИЯ 14 Раздел. Точечные дефекты

План

1. Поле деформации и энергия точечных дефектов.

2. Миграция точечных дефектов.

3. Механизмы образования вакансий.

Точечные дефекты искажают кристаллическую решетку в пределах нескольких элементарных ячеек. Относительная деформация , создаваемая точечным дефектом убывает обратно пропорционально кубу расстояния r

Здесь - изменение объема элементарной ячейки в присутствии

дефекта. Быстрое затухание атомных смещений при удалении от точечного дефекта свидетельствует о том, что межатомные силы являются близкодействующими. Положение атомов в ядре дефекта г=(1-2)а нельзя описать уравнениями упругости, которые не учитывают дискретного атомного строения металла. Характер искажений решётки вокруг точечного дефекта представлен на рис. 14.1 (а - вакансия, б - межузельный атом, в -атом замещения).

Fhc. 14.1. Характер искажений решетки вокруг точечных дефектов: а - вахансия, б - межузельный атом, в - атом замещения

В ГЦК решётке ближайшие соседние, атомы (1-ая координационная сфера) смещаются в сторону центра ядра вакансий (рис. 14.2).

Рис. 14.2.Смещенне атомов вокруг вакансии в плоскости ГЦК

решетки.

Как видно поле смещений сильно анизотропно. По разным направлениям смещения имеют разный знак и величину. Смещения атомов 1-ой координационной сферы составляют около 2% межатомного расстояния. Смещения атомов 2-ой координационной сферы в области вакансии на порядок ниже.

В ОЦК решётке смещения атомов в 1-ой координационной сфере несколько выше (ниже коэффициент упаковки решетки), но и здесь они не превышают 10% межатомного расстояния.

Вокруг межузельного атома смещение соседей больше, чем вокруг вакансии. Если вакансия может рассматриваться (в приближении упругого континуума) как центр всестороннего растяжения, то межузельный атом - это центр напряжений сжатия.

Энергия образования Е_о одной вакансии имеет порядок 1эВ = 1.6*10^-19 Дж. Например для меди Е_о= 0,9 эВ; для германия Е_о= 2эВ; для кремния -

Колеблющиеся атомы непрерывно обмениваются энергией между собой. В какой-то момент времени атом получив порцию энергию, может

занять соседнее положение в решётке, если оно свободно. Так происходит миграция (перемещение) точечных дефектов в объеме кристалла. Последовательные элементарные акты перемещения определённой вакансии осуществляются разными атомами, (рис. 14.3.).

Рис. 14.3. Перемещение атома на вакантное место в слое плотнейшей упаковки

При рассмотрении перемещения атома в вакансию в слое плотнейшей упаковки атом должен раздвинуть 4 соседних атома (атомы 1и 2 в плоскости чертежа и 2 атома в плоскости перпендикулярной чертежу). Таким образом, атом проходит через состояние с повышенной потенциальной энергией -энергетический барьер. На рис. 14.4. показано изменение энергии атома при его перемещении в вакантный узел.

Рис. 14.4. Изменение энергии атома при перемещении его в вакантный

узел

Высота энергетического барьера Е_м называется энергией активации миграции вакансий. Т.к. смещение соседних атомов невелико, то Е_м -величина относительно небольшая.

Частота перескоков совершаемых дефектом равна

где v₀ - частота колебаний в направлении перевальной точки или "частота попыток" перехода в соседний узел ;

S_n и В_п- энтропия и энергия активации миграции вакансий.

При вакансионном механизме диффузии энергия активации самодиффузии Е_с равна сумме энергий образования н миграция

вакансий:

В табл. 14.17. даны экспериментальные, значения энергий

моновакансий в разных металлах по разным литературным источникам.