14 ФиХтт_лекции Дислокации

Протяженные дефекты (дислокации)

Характерной особенностью реального кристалла является наличие в нем таких нарушений периодичности решетки, которые соизмеримы с размерами самого кристалла. Это протяженные дефекты, которые можно разделить на линейные, поверхностные и объемные.

Под линейными дефектами подразумеваются такие отклонения от идеальности кристалла, которые локализованы вдоль определенной линии. Поэтому их часто называют одномерными. Чаще всего линейные дефекты возникают при обрыве или смещении кристаллографических плоскостей и поэтому их называют дислокациями.

Таким образом,

дислокации – это линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Протяженные дефекты (дислокации) оказывают существенное влияние на свойства кристаллических материалов. Это стало причиной их усиленного изучения. Особенно большое развитие получило учение о дислокациях, что связано с их влиянием на такие важные свойства, как прочность и пластичность материалов. Менее изученным остается пока влияние дислокаций на формирование структурно-чувствительных свойств.

Определение дислокаций. Контур и вектор Бюргерса

Обрывы или смещения атомных плоскостей, образующие дислокации, чаще всего связаны с механическими или тепловыми воздействиями на кристалл. Случайный характер возникающих в кристалле при этом напряжений приводит к тому, что направление сдвига и линии, вдоль которых он происходит, могут быть различными. Обычно различают два предельных случая.

1. Если возникающая при сдвиге деформация кристаллической решетки такова, что край оборванной (сдвинутой) плоскости оказывается перпендикулярным направлению сдвига, то дислокация называется краевой (рисунок 1, а).

2. Если направление сдвига совпадает с направлением дислокации, а деформация решетки приобретает винтообразный характер, то дислокация называется винтовой (рисунок 1, б).

В реальном кристалле наряду с ними существуют смешанные дислокации, содержащие в себе компоненты как краевой, таки винтовой дислокаций (рисунок 1, в).

Рисунок 1. Виды дислокаций

Для характеристики искажения решетки, связанного с дислокацией, нужно иметь информацию:

- о величине сдвига;

- о его направлении.

Такую информацию несет в себе вектор Бюргерса. Для уяснения смысла этого понятия выберем на одной из атомных плоскостей кристалла два участка, один из которых является неискаженным, а другой содержит одну краевую дислокацию (рисунок 2).

Рисунок 2. Контур и вектор Бюргерса

Начав с узла S, сделаем по четыре шага: вправо, вниз, влево и вверх. При такой трансляции в неискаженном кристалле контур замкнется, а в искаженном окажется разомкнутым. Как видно из рисунка 1, для его завершения не хватило еще одного шага, равного расстоянию между двумя соседними узлами решетки (точки F и S). Такая нехватка («невязка» контура) явилась следствием того, что в одной из сторон фигуры, очерченной контуром, оказалось на один узел больше, чем в остальных ее сторонах: если в трех из них n узлов, то в четвертой (n+1).

Очевидно, что «невязка» контура Бюргерса, вызванная наличием дислокации, может быть использована в качестве меры искажения решетки. Она показывает ее величину.

В данном случае эта величина близка к величине параметра решетки (точного равенства между ними нет из-за локального искажения решетки, связанного с дислокацией).

Для описания дислокаций их исследователи условились пользоваться правилом, которое обозначается FS/RH (finish, start, right hand – финиш, старт, правая рука).

Отрезок между точками F и S (рисунок 2) и представляет собой вектор Бюргерса, показывающий направление и величину сдвига атомной плоскости. Таким образом, вектор Бюргерса представляет собой меру искажения решетки, связанного с наличием дислокации, в качестве единицы измерения которого используется величина параметра решетки.

В случае винтовой дислокации характеристикой сдвига является шаг винта, в качестве которого также используется параметр решетки.

Для данной дислокации направление сдвига атомных плоскостей, определяемое вектором Бюргерса, всегда постоянно вдоль всей линии дислокации и не зависит от того, какой вид имеет эта линия – прямая она или кривая.

Это важнейшее свойство известно как принцип сохранения вектора Бюргерса.