Введение

Концепция в материаловедении

В материаловедении концепция атмосферы Коттрелла была предложена А. Х. Коттреллом и Б. А. Бильби в 1949 году для объяснения механизма закрепления дислокаций в некоторых металлах атомами бора, углерода или азота, находящимися в интерстициальных позициях. Атмосферы Коттрелла возникают в материалах с объемно-центрированной (BCC) и гранецентрированной (FCC) кубической решеткой, таких как железо или никель, содержащих небольшие атомы примесей, например, бор, углерод или азот. Поскольку эти интерстициальные атомы незначительно искажают кристаллическую решетку, вокруг них возникает поле остаточных напряжений. Это напряжение может быть ослаблено за счет диффузии интерстициального атома к дислокации, ядро которой содержит небольшое пространство (в силу более открытой структуры), как показано на рисунке 1. После диффузии в ядро дислокации атом остается там. Как правило, для закрепления одной дислокации требуется всего один интерстициальный атом на плоскость решетки. Совокупность атомов растворенного вещества, окружающих ядро дислокации в результате этого процесса, и является атмосферой Коттрелла.

Похожие явления

Хотя атмосфера Коттрелла является общим эффектом, существуют дополнительные связанные механизмы, проявляющиеся в более специфических условиях.

Эффект Судзуки

Эффект Сузуки характеризуется сегрегацией растворенных веществ к дефектам упаковки. Когда дислокации в ГЦК-структуре расщепляются на две частичные дислокации, между ними образуется гексагональный плотноупакованный (ГПУ) дефект упаковки. Х. Сузуки предсказал, что концентрация атомов растворенного вещества на этой границе будет отличаться от концентрации в объеме материала. Движение через это поле атомов растворенного вещества, таким образом, создаст сопротивление движению дислокаций, аналогичное атмосфере Коттрелла. Сузуки позднее наблюдал такую сегрегацию в 1961 году. Эффект Сузуки часто связывают с адсорбцией замещающих атомов растворенного вещества на дефекте упаковки, но также было обнаружено, что он возникает при диффузии интерстициальных атомов из дефекта упаковки. После расщепления двух частичных дислокаций, они больше не могут совершать перескок через препятствия. Подобно тому, как атмосфера Коттрелла оказывает сопротивление движению дислокаций, эффект Сузуки в дефекте упаковки приведет к увеличению напряжений при рекомбинации частичных дислокаций, что затруднит обход препятствий (таких как осадки или частицы) и, следовательно, приведет к увеличению прочности материала.

Эффект Снука

При воздействии напряжения междоузельные атомы растворенного вещества, такие как углерод и азот, могут мигрировать внутри решетки α Fe, металла с объемноцентрированной кубической (ОЦК) структурой. Эти миграции атомов углерода и азота на короткие расстояния приводят к внутреннему трению или упругому эффекту, называемому эффектом Снука. Эффект Снука был открыт Дж. Л. Снуком в 1941 году. При комнатной температуре растворимость углерода и азота в твердых растворах чрезвычайно мала. Повышая температуру выше 400°C и охлаждая со средней скоростью, можно сохранить несколько сотых процента любого из этих элементов в растворе, в то время как остальная часть остается пересыщенной. Приготовление образцов, содержащих большее количество углерода или азота в твердом растворе, значительно усиливает магнитные и упругие явления. Растворимость азота намного выше, чем растворимость углерода в твердом растворе. Образец помещают в смесь водорода и аммиака (или угарного газа) и нагревают до достижения стационарного состояния, при котором масса поглощенного углерода и азота может быть определена путем оценки изменения веса образца. Если напряжение приложено вдоль оси z или направления [001], то октаэдрические пустоты вдоль осей x и y будут сжиматься, а октаэдрические пустоты вдоль оси z – расширяться. Однако, при приложении к решетке деформации, например, вызванной дислокацией, 1/3 позиций становятся более благоприятными, чем остальные 2/3. Атомы растворенного вещества, следовательно, перемещаются, чтобы занять благоприятные позиции, формируя упорядоченное расположение растворенного вещества непосредственно вблизи дислокации. Перемещение междоузельных атомов растворенного вещества на эти другие позиции приводит к изменению упругих диполей, поэтому с этим изменением связано время релаксации, которое можно связать с коэффициентом диффузии и энергией миграции атомов растворенного вещества. В новой, расслабленной конфигурации растворенного вещества для разрыва дислокации из этого упорядочения требуется больше энергии. Однако, напряжение, приложенное в направлении [111], не приведет к изменению расположения междоузельных атомов, поскольку все три направления куба будут испытывать одинаковое напряжение и в среднем будут одинаково заняты атомами углерода.

Материалы

Материалы, в которых присутствуют дислокации, описываемые атмосферой Коттрелла, включают в себя металлы и полупроводниковые материалы, такие как кристаллы кремния.