- •Основы кристаллографии и дефекты кристаллического строения
- •Лекция 1. Основные понятия о кристаллах План лекции
- •1.1. Закон постоянства гранных углов
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 2. Структура кристаллов и пространственная
- •План лекции
- •2.1. Элементарная ячейка, её выбор, метрика
- •2.2. Кристаллическая структура
- •2.3. Кристаллографические символы узлов, плоскостей и направлений в кристаллах кубической сингонии
- •2.4. Символы узлов
- •2.5. Символы рядов (ребер, направлений)
- •2.6. Символы плоскостей (граней)
- •Контрольные вопросы
- •3.2. Определение символа атомной плоскости по координатам трёх узлов пространственной решётки
- •3.4. Кристаллографическая символика в гексагональной сингонии
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 4. Элементы симметрии конечных фигур План лекции
- •4.1. Понятие о симметрии
- •4.2. Элементы симметрии кристаллических многогранников
- •Обозначение элементов симметрии
- •4.3. Взаимодействие симметрических операций (элементов симметрии)
- •4.4. Осевая теорема Эйлера
- •4.5. Теоремы сложения элементов симметрии
- •4.6. Точечные группы симметрии
- •Контрольные вопросы
- •5.2. Правила кристаллографической установки кристаллов для различных сингоний.
- •5.3. Кристаллографические проекции
- •5.4. Сферическая проекция
- •5.5. Стереографическая проекция
- •5.6. Гномостереографическая проекция
- •Контрольные вопросы
- •План лекции
- •6.1. Классы симметрии
- •6.2. Виды симметрии кристаллов, обладающих единичных направлением
- •6.3. Элементы симметрии бесконечных фигур
- •6.4. Винтовые оси симметрии
- •6.5. Плоскость скользящего отражения
- •6.6 Решетки Бравэ
- •6.7. Условия выбора ячеек Бравэ
- •6.8 Характеристика решеток Бравэ
- •Тип ячейки Бравэ.
- •6.9. Трансляционная группа, базис ячейки
- •6.10. Пример Выбора элементарной ячейки Бравэ
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 7. Задачи, решаемые кристаллохимией План лекции
- •7.1 Координационное число, координационный полиэдр, число формульных единиц
- •7. 2. Плотнейшие шаровые упаковки в кристаллах
- •7.3. Основные типы структур
- •7.4. Основные категории кристаллохимии
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 8. Точечные дефекты План лекции
- •8.1. Понятие об идеальном и реальном кристалле
- •8.2. Классификация дефектов кристаллической решетки
- •8.3. Точечные дефекты
- •8.4. Искажение решетки вокруг точечных дефектов
- •8.5. Термодинамика точечных дефектов
- •8.6. Миграция точечных дефектов
- •8.6.1.Миграция вакансий
- •8.6.2. Миграция межузельных атомов
- •8.6.3.Миграция примесных атомов
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 9. Основные типы дислокаций и их движение План лекции
- •9.2. Скольжение краевой дислокации
- •9.3.Переползание краевой дислокации
- •9.6. Смешанные дислокации и их движение
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 10. Количественные характеристики дислокаций План лекции
- •10.2 Вектор Бюргерса
- •10.3. Плотность дислокаций
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 11. Упругие свойства дислокаций План лекции
- •11.1. Энергия дислокации
- •11.2. Силы, действующие на дислокацию
- •11.3. Упругое взаимодействие параллельных краевых дислокаций
- •11.4. Упругое взаимодействие параллельных винтовых дислокации
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 13. Пересечение дислокаций План лекции
- •13.1. Пересечение краевых дислокаций
- •13.2. Пересечение краевой и винтовой дислокаций
- •13.3. Пересечение винтовых дислокаций
- •13.4. Движение дислокации с порогами
- •13.5. Пересечение растянутых дислокаций
- •Контрольные вопросы
- •14.1.2 Атмосферы Снука
- •14.1.3. Атмосферы Сузуки
- •1.4.2. Взаимодействие дислокаций с вакансиями и межузельными атомами
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 15. Образование дислокаций План лекции
- •15.1. Происхождение дислокаций
- •15.2. Размножение дислокаций при пластической деформации Источник Франка — Рида
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 16. Границы зерен и субзерен План лекции
- •16.1.Границы кручения и наклона
- •16.2. Малоугловые границы
- •16.3. Высокоугловые границы
- •16.4. Специальные и произвольные границы
- •16.5. Зернограничные дислокации
- •План лекции
- •17.2. Торможение дислокаций при их взаимодействии с другими дислокациями и границами зерен
- •17.3. Торможение дислокаций дисперсными частицами
- •17.4. Выгибание дислокаций между дисперсными частицами
- •17.5. Локальное поперечное скольжение
- •17.6. Перерезание дислокациями дисперсных частиц
- •17.7.2. Торможение дислокаций в твердых растворах
16.5. Зернограничные дислокации
Первоначально представления о зернограничных дислокациях (ЗГД) были введены для того, чтобы описать атомный механизм зернограничного скольжения (проскальзывания) — смещения одного зерна относительно другого под действием напряжений. Граница зерна имеет, как отмечалось, периодическое строение. ЗГД отделяет ту часть межзеренной границы, где сдвиг уже прошел и восстановилось исходное периодическое строение границы, от той части, где он еще не начался. На рис. 16.11 показана краевая ЗГД, являющаяся областью линейного несовершенства на границе зерен вокруг края двух «лишних» плоскостей в верхнем зерне. Вектор Бюргерса такой ЗГД лежит в плоскости границы, и ЗГД может скользить в этой плоскости. При скольжении ЗГД в каждый момент времени в сдвиге участвуют только те атомы, которые находятся в области ядра дислокации. Продвижение одной дислокации по поверхности раздела соседних зерен вызывает их взаимное смещение на величину вектора Бюргерса ЗГД. Здесь полная аналогия со скольжением дислокаций внутри зерен, которые, для отличия от зернограничных, называют решеточными дислокациями.
Кроме полных ЗГД, после продвижения которых восстанавливается исходная структура высокоугловой границы существуют частичные ЗГД, скольжение которых приводит к изменению строения границы.
Рис. 16.11 Модель строения границы зерен со скользящей зернограничной дислокацией (стрелками отмечены две экстраплоскости)
Так как периодическая структура границы зависит от взаимной кристаллографической ориентации зерен и ориентации самой границы, то ЗГД могут иметь разнообразные векторы Бюргерса. Вектор Бюргерса ЗГД в специальных границах тем меньше, чем больше S.
Консервативное движение (скольжение) ЗГД, нс связанное с переносом массы, возможно только на плоских участках границы зерен, па которых вектор Бюргерса и линия ЗГД находятся в плоскости границы. Плоские участки (фасетки) наблюдают под микроскопом. Так как вся граница зерен не идеально плоская, то ЗГД могут перемещаться на значительные расстояния вдоль границы только при сочетании скольжения и переползания. В произвольных границах ЗГД движутся легче, чем в специальных, так как диффузия, необходимая для переползания , в более рыхлых произвольных границах идет быстрее.
Переползание ЗГД связано с испусканием или абсорбцией вакансий. Соответственно высокоугловая граница, содержащая такие ЗГД, служит эффективным источником или стоком точечных дефектов, причем произвольная граница является более эффективным источником или стоком вакансий нежели специальная.
Зернограничныс дислокации подразделяют на два типа: собственные (вторичные) и несобственные (внесенные, избыточные, сторонние) ЗГД.
Собственные ЗГД, присущие данной границе, являются неотъемлемым элементом ее структуры и не имеют дальнодействующего поля напряжений.
Сетка собственных ЗГД выполняет аккомодационную роль. приспосабливая структуру границы к конкретной разориентировке зерен, несколько отличающейся от той, которая точно соответствует существованию границы совпадающих узлов. Такая сетка собственных ЗГД обеспечивает минимум энергии высокоугловой границы при отклонении ориентации решеток соседних зерен от специальной. В этом смысле собственные ЗГД являются «равновесными» линейными дефектами структуры высокоугловой границы. Собственные ЗГД на границе между зернами одной фазы фактически выполняют ту же роль, что и дислокации несоответствия на межфазной границе.
Максимальный угол отклонения (в градусах) от специальной ориентации, когда еще возможна аккомодация с помощью собственных ЗГД, можно найти из формулы
. (16.3)
Если iDq£Dqm , то границу зерен можно считать близкой к специальной, а если Dq£iDqm , то граница—произвольная.
Расстояние между собственными ЗГД в их равновесной сетке обратно пропорционально углу отклонения от специальной ориентации. Здесь полная аналогия с влиянием разориентировки на расстояние между дислокациями в малоугловой границе (формулу (1)), в которой дислокации, обеспечивающие минимум энергии сопряжения слегка разориентированных решеток являются не специфическими зсрнограничными, а обычными решеточными (для малоугловой границы S=1). Экспериментально сетку собственных ЗГД пока наблюдали только при сравнительно небольших значениях S и малых отклонениях от особых разориентировок, так как уменьшение вектора Бюргерса с увеличением S и уменьшение расстояния между зернограничными дислокациями с увеличением угловых отклонений от специальных разориентировок затрудняют или делают совсем невозможным наблюдение собственных ЗГД.
Несобственные (внесенные) ЗГД образуются в результате взаимодействия границы с решеточными дислокациями. Проекция на экран просвечивающего электронного микроскопа поверхности границы между зернами 1 и 2, наклонно расположенной в объеме фольги. Ширина этой проекции составляет сотни нанометров; она ничего общего не имеет с физической шириной границы зерен, измеряемой долями нанометра (два-три атомных диаметра). Система чередующихся почти параллельных темных и светлых полос вдоль границы зерен—это специфический контраст из-за особых дифракционных условий, не связанный с атомной структурой межзеренной границы. Некоторые внесенные дислокации (см. стрелку) частично расположены в границе зерен, а частично— в теле зерна 2. При встрече неподвижной границы с движущейся к ней решеточной дислокацией или при встрече мигрирующей границы с неподвижной дислокацией последняя входит в границу. Такая захваченная границей решеточная дислокация является одной из разновидностей внесенных ЗГД.
Дифракционный контраст от захваченных границей решеточных дислокаций при повышенных температурах постепенно исчезает, граница абсорбирует захваченные решеточные дислокации. При этом каждая из них может диссоциировать на несколько внесенных ЗГД.
Векторы Бюргерса ЗГД — продуктов диссоциации меньше вектора Бюргерса захваченной границей решеточной дислокации, поэтому такая диссоциация энергетически выгодна, приводит к уменьшению дальнодействующего поля упругих напряжений.
Внесенные ЗГД в отличие от собственных не являются составляющей равновесной структуры границы. С ними связано дальнодействующее поле упругих напряженки.
Диссоциацию решеточной дислокации, захваченной границей, на несколько ЗГД наблюдали в специальных границах и границах, близких к специальным, но не наблюдали в произвольных границах. Для них была предложена другая модель уменьшения энергии—непрерывная делокализация ядра решеточной дислокации.
На рис. 16.12, а показана краевая решеточная дислокация, скользящая к границе зерен. На рис. 16.12,6 край экстраплоскоскости достиг границы зерен. При локализованном ядре захваченной дислокации энергия границы высокая (см. сильные искажений на рис. 16.12,6). Упругая энергия уменьшится, если область несоответствия решеток, обусловленного наличием экстраплоскости, будет расширяться (рис. 16.12, в). Этот процесс согласуется с постепенным размытием изображений решеточных дислокаций, захваченных произвольными границами зерен, вплоть до полного исчезновения дифракционного контраста от них.
Рис. 16.12 Размытие ядра решеточной дислокации, захваченной границей
Непрерывную делокализацию ядра захваченной границей решеточной дислокации можно трактовать и как ее диссоциацию на большое число невидимых в электронном микроскопе ЗГД с очень малыми векторами Бюргерса.
Рассмотренные процессы абсорбции, поглощения границей захваченных решеточных дислокаций интенсифицируются с повышением температуры.
Границы зерен могут не только поглощать, но и испускать решеточные дислокации. Последнее возможно, если произойдет объединение нескольких ЗГД с малыми векторами Бюргерса в одну решеточную дислокацию или же произойдет сжатие де-локализованного ядра (см. переход от схемы на рис. 16.12, в к схеме на рис. 16.12,6).
Уступы, изломы границ и тройные стыки зерен являются наиболее вероятными местами испускания решеточных дислокаций, так как около них, как барьеров, образуются скопления ЗГД, затем объединяющихся под действием приложенной нагрузки в решеточную дислокацию.
Контрольные вопросы
1. Объясните, что называют границей зерен и субзерен, и к каким дефектам они относятся.
2. Объясните, какую границу называют границей наклона.
3. Объясните, какую границу называют границей кручения.
4. Объясните, какие границы относят к малоугловым, а какие к высокоугловым.
5. Объясните, какая малоугловая граница образуется из краевых дислокаций одного знака.
6. Объясните, какую малоугловую границу называют симметричной границей наклона.
7. Объясните, почему все субзеренные (блочные) границы являются малоугловыми.
8. Объясните, какую малоугловую границу называют скользящей.
9. Объясните, каким образом возникают стенки дислокации.
10. Объясните, как ведет себя малоугловая граница с точечными дефектами, в том числе с примесными атомами.
11. Объясните, какие границы являются высокоугловыми границами.
12. Объясните, к каким дефектам относят границы зерен.
13. Отличительные особенности собственных и несобственных зернограничных дислокаций.
Лекция 17. Торможение дислокаций