Введение

Линейный кристаллографический дефект или нарушение в материаловедении, дислокация или дислокация Тейлора – это линейный кристаллографический дефект или нарушение в кристаллической структуре, содержащее резкое изменение в расположении атомов. Движение дислокаций позволяет атомам скользить друг относительно друга при низких уровнях напряжений и известно как глайд или скольжение. Кристаллическая упорядоченность восстанавливается по обе стороны от глайд-дислокации, но атомы с одной стороны смещаются на одну позицию. При частичной дислокации кристаллическая упорядоченность полностью не восстанавливается. Дислокация определяет границу между деформированными и недеформированными областями материала и, следовательно, должна либо образовывать замкнутый контур, пересекаться с другими дислокациями или дефектами, либо достигать границ кристалла. Дислокация характеризуется расстоянием и направлением смещения атомов, которое определяется вектором Бюргерса. Пластическая деформация материала происходит за счет образования и движения множества дислокаций. Количество и расположение дислокаций оказывает влияние на многие свойства материалов. Два основных типа дислокаций – это сессильные дислокации, которые неподвижны, и глайд-дислокации, которые подвижны. Примерами сессильных дислокаций являются дислокация лестничной ступени и узел Ломера – Коттрелла. Два основных типа подвижных дислокаций – краевые и винтовые дислокации. Краевые дислокации можно представить как вызванные обрывом плоскости атомов в середине кристалла. В этом случае окружающие плоскости не прямые, а изгибаются вокруг края обрывающейся плоскости, так что кристаллическая структура идеально упорядочена с обеих сторон. Это явление аналогично половине листа бумаги, вставленной в стопку бумаги, где дефект в стопке заметен только на краю полулиста. Теория, описывающая упругие поля дефектов, была первоначально разработана Вито Вольтеррой в 1907 году. В 1934 году Эгон Орована, Майкл Поланьи и Г. И. Тейлор предположили, что низкие напряжения, наблюдаемые при пластической деформации по сравнению с теоретическими прогнозами того времени, можно объяснить с точки зрения теории дислокаций.

История

Теория, описывающая эластичные поля дефектов, была первоначально разработана Вито Вольтеррой в 1907 году. Термин «дислокация», относящийся к дефекту в атомном масштабе, был введен Г. И. Тейлором в 1934 году. До 1930-х годов одной из нерешенных задач материаловедения было объяснение пластичности в микроскопических терминах. Простая попытка рассчитать напряжение сдвига, при котором соседние атомные плоскости скользят друг относительно друга в идеальном кристалле, показывает, что для материала с модулем сдвига , предел текучести при сдвиге приблизительно равен:

Модуль сдвига в металлах обычно находится в диапазоне от 20 000 до 150 000 МПа, что указывает на прогнозируемое напряжение сдвига от 3 000 до 24 000 МПа. Это было трудно согласовать с измеренными значениями напряжения сдвига, которые составляли от 0,5 до 10 МПа. В 1934 году Эгон Ороуан, Майкл Поланьи и Г. И. Тейлор независимо друг от друга предложили, что пластическую деформацию можно объяснить с помощью теории дислокаций. Дислокации могут перемещаться, если атомы из одной из окружающих плоскостей разрывают свои связи и образуют новые связи с атомами на конце дислокации. По сути, полуплоскость атомов перемещается под действием напряжения сдвига, разрывая и восстанавливая линию связей, одну (или несколько) за раз. Энергия, необходимая для разрыва ряда связей, значительно меньше, чем энергия, необходимая для разрыва всех связей на целой атомной плоскости одновременно. Даже эта простая модель силы, необходимой для перемещения дислокации, показывает, что пластичность возможна при гораздо более низких напряжениях, чем в идеальном кристалле. Во многих материалах, особенно пластичных, дислокации являются «носителями» пластической деформации, и энергия, необходимая для их перемещения, меньше энергии, необходимой для разрушения материала.

Механизмы

Дислокация – это линейный кристаллографический дефект или нарушение в кристаллической структуре, характеризующееся резким изменением в расположении атомов. Кристаллическая упорядоченность восстанавливается по обе стороны от дислокации, но атомы с одной стороны смещены или испытали сдвиг. Дислокации определяют границу между областями материала, подвергшимися сдвигу, и областями, где сдвиг не происходил, и не могут завершаться внутри кристаллической решетки, а должны либо выходить на свободную поверхность, либо формировать петлю внутри кристалла. Дислокации также могут формироваться и оставаться в плоскости межкристаллитного интерфейса между двумя кристаллами. Это происходит, когда параметры кристаллической решетки двух кристаллов не совпадают, что приводит к несоответствию решеток на интерфейсе. Напряжение, вызванное несоответствием решеток, снимается путем образования регулярно расположенных дислокаций несоответствия. Дислокации несоответствия – это частичные дислокации, линия дислокации которых лежит в плоскости интерфейса, а вектор Бюргерса направлен перпендикулярно этой плоскости. Интерфейсы с дислокациями несоответствия могут формироваться, например, в результате эпитаксиального роста кристаллов на подложке.

Облучение

В повреждениях, создаваемых энергичным облучением, могут формироваться дислокационные петли. Призматическую дислокационную петлю можно представить как дополнительный (или отсутствующий) сжатый диск атомов, которая образуется при объединении интерстициальных атомов или вакансий в кластеры. Это может происходить непосредственно в результате одиночных или множественных каскадов столкновений, приводящих к локально высокой концентрации интерстициальных атомов и вакансий. В большинстве металлов призматические дислокационные петли являются энергетически наиболее предпочтительными кластерами собственных интерстициальных атомов.

Геометрически необходимые смещения

Геометрически необходимые дислокации – это упорядочения дислокаций, способные обеспечить ограниченную степень пластического изгиба в кристаллическом материале. Переплетения дислокаций обнаруживаются на ранней стадии деформации и проявляются как нечётко выраженные границы; процесс динамического восстановления в конечном итоге приводит к формированию клеточной структуры, содержащей границы с дезориентацией менее 15° (границы зерен с малым углом).

Закрепление

Добавление точек закрепления, препятствующих движению дислокаций, таких как легирующие элементы, может создавать поля напряжений, которые в конечном итоге упрочняют материал, требуя большего приложенного напряжения для преодоления напряжения закрепления и продолжения движения дислокаций. Эффекты упрочнения от пластической деформации, вызванные накоплением дислокаций, и структура зерен, формирующаяся при больших деформациях, могут быть сняты соответствующей термической обработкой (отжигом), которая способствует восстановлению и последующей рекристаллизации материала. Совместное использование методов деформационного упрочнения и отжига позволяет контролировать плотность дислокаций, степень их перепутывания и, в конечном итоге, предел текучести материала.

Прочные скользящие ленты

Повторное циклическое деформирование материала может приводить к образованию и накоплению дислокаций, окруженных областями, практически лишенными дислокаций. Эта структура формирует лестничное строение, известное как постоянные полосы скольжения (PSB). Постоянные полосы скольжения получили такое название, поскольку они оставляют следы на поверхности металлов, которые даже после удаления полировкой вновь появляются в том же месте при продолжении циклического деформирования. Стенки PSB преимущественно состоят из краевых дислокаций. Между стенками пластическая деформация передается винтовыми дислокациями.

Сдвигайтесь .

Дислокации могут скользить в плоскостях, содержащих как линию дислокации, так и вектор Бюргерса, так называемую плоскость скольжения. Для винтовой дислокации линия дислокации и вектор Бюргерса параллельны, поэтому дислокация может скользить в любой плоскости, содержащей линию дислокации. Для краевой дислокации дислокация и вектор Бюргерса перпендикулярны, поэтому существует только одна плоскость, в которой дислокация может скользить.

Поднимайтесь .

Подъем дислокации — это альтернативный механизм движения дислокации, позволяющий краевой дислокации покинуть свою плоскость скольжения. Движущей силой подъема дислокации является перемещение вакансий через кристаллическую решетку. Если вакансия перемещается вблизи границы дополнительной полуплоскости атомов, формирующей краевую дислокацию, атом в полуплоскости, ближайший к вакансии, может совершить скачок и заполнить вакансию. Этот сдвиг атома перемещает вакансию вдоль полуплоскости атомов, вызывая смещение, или положительный подъем дислокации. Процесс поглощения вакансии на границе полуплоскости атомов, а не её образования, называется отрицательным подъемом. Поскольку подъем дислокации происходит в результате скачков отдельных атомов в вакансии, подъем происходит с шагом, равным диаметру одного атома. Во время положительного подъема кристалл сжимается в направлении, перпендикулярном дополнительной полуплоскости атомов, поскольку атомы удаляются из полуплоскости. Поскольку отрицательный подъем включает в себя добавление атомов к полуплоскости, кристалл расширяется в направлении, перпендикулярном полуплоскости. Следовательно, сжимающее напряжение в направлении, перпендикулярном полуплоскости, способствует положительному подъему, а растягивающее напряжение — отрицательному. Это одно из основных различий между скольжением и подъемом, поскольку скольжение вызывается только касательным напряжением. Еще одно отличие между дислокационным скольжением и подъемом — температурная зависимость. Подъем происходит гораздо быстрее при высоких температурах, чем при низких, из-за увеличения подвижности вакансий. Скольжение, напротив, имеет лишь небольшую зависимость от температуры.

Лавины дислокации

Лавины дислокаций возникают при множественном одновременном смещении дислокаций.

Геометрия

Существует два основных типа подвижных дислокаций: краевые и винтовые. Дислокации, встречающиеся в реальных материалах, как правило, являются смешанными, то есть сочетают в себе характеристики обоих типов.

Края

Кристаллический материал состоит из упорядоченного массива атомов, расположенных в решетчатых плоскостях. Дислокация краев – это дефект, при котором в кристалл введена дополнительная полуплоскость атомов, искажающая соседние плоскости. При приложении достаточной силы с одной стороны кристаллической структуры эта дополнительная полуплоскость проходит сквозь плоскости атомов, разрывая и восстанавливая связи с ними, пока не достигнет границы зерна. Дислокация характеризуется двумя свойствами: направлением линии, которое соответствует направлению вдоль нижней части дополнительной полуплоскости, и вектором Бюргерса, описывающим величину и направление искажения решетки. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен направлению линии. Напряжения, вызванные дислокацией краев, сложны из-за ее внутренней асимметрии. Эти напряжения описываются тремя уравнениями:

где – модуль сдвига материала, – вектор Бюргерса, – коэффициент Пуассона, а и – координаты. Эти уравнения указывают на вертикально ориентированный гантелеобразный рисунок напряжений, окружающий дислокацию, с сжатием атомов вблизи "дополнительной" плоскости и растяжением атомов вблизи "отсутствующей" плоскости. Массив винтовых дислокаций может приводить к образованию так называемой границы сдвига. В границе сдвига происходит несоответствие ориентации соседних кристаллических зерен из-за кумулятивного эффекта винтовых дислокаций в материале. Эти дислокации вызывают вращательное несоответствие между соседними зернами, приводя к деформации типа скручивания вдоль границы. Границы сдвига могут существенно влиять на механические и электрические свойства материалов, воздействуя на такие явления, как скольжение по границам зерен, ползучесть и характер разрушения. Напряжения, вызванные винтовой дислокацией, менее сложны, чем напряжения, вызванные краевой дислокацией, и для их описания достаточно одного уравнения, поскольку симметрия позволяет использовать одну радиальную координату: ширина этой области дефектов упаковки пропорциональна энергии дефектов упаковки материала. Комбинированный эффект известен как расширенная дислокация и способна перемещаться как единое целое. Однако диссоциированные винтовые дислокации должны рекомбинировать, прежде чем они смогут совершить перескок, что затрудняет их движение вокруг препятствий. Материалы с низкой энергией дефектов упаковки обладают наибольшей степенью диссоциации дислокаций и, следовательно, легче поддаются холодной обработке.

Лестничный вал и пересечение Ломер-Коттрелл

Если две скользящие дислокации, лежащие на разных {111} плоскостях, разделяются на частичные Шокли и пересекаются, то образуется дислокация типа "лестничная ступенька" с дислокацией Ломера-Коттрелла на вершине. Она называется "лестничной ступенькой" из-за аналогии с прутом, фиксирующим ковровое покрытие на лестнице.

Бег по течению

Jog описывает ступени линии дислокации, которые не лежат в плоскости скольжения кристаллической структуры. Вдали от температуры плавления материала диффузия вакансий – медленный процесс, поэтому jogs выступают в качестве неподвижных барьеров при комнатной температуре для большинства металлов. Jogs обычно формируются, когда две непараллельные дислокации пересекаются во время пластической деформации. Присутствие jogs в материале повышает его предел текучести, препятствуя легкому скольжению дислокаций. Пара неподвижных jogs на дислокации будет действовать как источник Фрэнка-Рида при сдвиге, увеличивая общую плотность дислокаций в материале. Это двухстадийное плавление описывается в так называемой теории Костерлица-Тхаулеса-Халперна-Нельсона-Янга (теория KTHNY), основанной на двух переходах типа Костерлица-Тхаулеса.

Трансмиссионная электронная микроскопия (TEM)

Трансмиссионная электронная микроскопия может использоваться для наблюдения дислокаций в микроструктуре материала. Для этого готовят тонкие образцы материала, чтобы сделать их прозрачными для электронного луча микроскопа. Электронный луч подвергается дифракции на регулярных кристаллических плоскостях решетки, образуя дифракционную картину, и контраст в изображении генерируется этой дифракцией (а также вариациями толщины, изменениями деформации и другими механизмами). Дислокации обладают отличной локальной атомной структурой и создают поле деформации, поэтому электроны в микроскопе рассеиваются ими по-разному. Обратите внимание на характерный "волнистый" контраст линий дислокации при их прохождении через толщину материала на рисунке (дислокации не могут обрываться внутри кристалла, и эти дислокации завершаются на поверхностях, поскольку изображение является двухмерной проекцией). Дислокации не имеют случайной структуры, их локальная атомная структура определяется вектором Бюргерса. Одним из наиболее полезных применений просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в визуализации дислокаций является возможность экспериментального определения вектора Бюргерса. Определение вектора Бюргерса достигается с помощью так называемого анализа ("g · b"). При проведении микроскопии в темном поле с помощью ПЭМ для формирования изображения выбирается дифракционное пятно (как упоминалось ранее, плоскости решетки дифракционируют луч в пятна), и изображение формируется, используя только электроны, дифракционно рассеянные плоскостью, ответственной за это дифракционное пятно. Вектор от прямого пятна до дифракционного пятна в дифракционной картине является вектором **g**. Контраст дислокации масштабируется на величину скалярного произведения этого вектора и вектора Бюргерса. В результате, если вектор Бюргерса и вектор **g** перпендикулярны, сигнал от дислокации будет отсутствовать, и дислокация вообще не будет видна на изображении. Следовательно, исследуя различные изображения в темном поле, сформированные из пятен с разными векторами **g**, можно определить вектор Бюргерса.

Другие методы

Полевая ионная микроскопия и методы атомного зондирования позволяют получать значительно более высокие увеличения (обычно в 3 миллиона раз и более) и наблюдать дислокации на атомном уровне. При возможности разрешения рельефа поверхности до уровня атомной ступени, винтовые дислокации проявляются в виде характерных спиральных структур, что раскрывает важный механизм роста кристаллов: атомы легче присоединяются к кристаллу в местах ступеней поверхности, а ступень поверхности, связанная с винтовой дислокацией, никогда не исчезает, независимо от количества добавляемых к ней атомов.

Химическая гравировка

Когда линия дислокации пересекает поверхность металлического материала, связанное с ней поле напряжений локально повышает относительную восприимчивость материала к кислотному травлению, в результате чего образуется ямка травления правильной геометрической формы. Таким образом, дислокации в кремнии, например, можно наблюдать косвенно с помощью интерференционного микроскопа. Ориентация кристалла может быть определена по форме ямок травления, связанных с дислокациями. Если материал деформировать и многократно подвергать травлению, можно получить серию ямок травления, которые наглядно отображают траекторию движения данной дислокации.

Силы на смещениях

Движение дислокации в результате внешнего напряжения на кристаллической решетке может быть описано с использованием виртуальных внутренних сил, которые действуют перпендикулярно линии дислокации. Уравнение Пича-Кёлера может быть использовано для расчета силы на единицу длины дислокации как функции вектора Бюргерса, , напряжения, , и вектора направления. Сила на единицу длины дислокации является функцией общего состояния напряжений, , и вектора направления. Компоненты поля напряжений могут быть получены из вектора Бюргерса, нормальных напряжений, , и касательных напряжений, .

Силы между смещениями

Сила между дислокациями может быть выведена из энергии взаимодействия дислокаций. Работа, совершаемая при перемещении плоскостей скольжения параллельно выбранной оси, создает одну дислокацию в поле напряжений, создаваемом другой дислокацией. Для направлений и :

Силы затем определяются путем взятия производных.

Свободные поверхностные силы

Измещения также будут стремиться к свободным поверхностям из-за более низкой энергии деформации. Эта фиктивная сила может быть выражена для винтового дислокации с компонентой, равной нулю, как:

где – расстояние от свободной поверхности в направлении. Сила для краевой дислокации с может быть выражена как: