Лекция 9.

Размножение дислокаций путём многократного поперечного скольжения винтовых дислокаций.

Ситуация, необходимая для начала работы источника Франка-Рида, реализуется после того, как винтовая дислокация совершила двойное поперечное скольжение, рис.3.21.

Рис. 3.21. Схема двойного поперечного скольжения: I – плоскость основного скольжения; II – плоскость поперечного скольжения; III – плоскость двойного поперечного скольжения. Стрелками указаны направления движения дислокаций в каждой плоскости; а – исходная дислокация АБ; б – поперечное скольжение, БВГД – парный перегиб на дислокации АЕ, участок ВГ движется в плоскости II; в – двойное поперечное скольжение, участки АБ и ДЕ движутся в плоскости I, БВ и ГД – в плоскости II, а ВГ – в плоскости III

Пусть винтовая дислокация АЕ имеет две плоскости скольжения: основную 1 и дополнительную, называемую плоскостью поперечного скольжения II (рис. 3.21, а). Если в плоскости первичного скольжения на участке БД встречается какое-либо препятствие, то дислокация АЕ (рис. 3.21, б) может продолжать скольжение по плоскости II, выбросив парный перегиб БВГД в этой плоскости. Такой переход части дислокации из одной плоскости скольжения в другую называется поперечным скольжением. Очевидно, что способностью к поперечному скольжению обладают только винтовые дислокации.

Парный перегиб БВГД движется некоторое время в плоскости II, после чего может снова совершать поперечное скольжение, перейдя уже по всей длине ВГ в плоскость III, параллельную плоскости I, с наиболее благоприятными условиями скольжения (рис. 3.21, в). Такие два последовательных акта поперечного скольжения называются двойным поперечным скольжением. В результате его в плоскости III появляется отрезок винтовой дислокации ВГ, закрепленный в точках В и Г отрезками краевых дислокации в плоскости II БВ и ГД, т. е. возникают условия, аналогичные необходимым для работы источника Франка–Рида.

Рассмотрим движение дислокации после двойного поперечного скольжения.

Отрезки дислокации в плоскостях I и III движутся под действием приложенного касательного напряжения. Краевые отрезки ББ' и ДД' в плоскости I движутся навстречу друг другу, а отрезки BB ' и ГГ' в плоскости III - друг от друга, поскольку имеют противоположные знаки (рис.3.22).

Дальнейшее поведение дислокаций определяется расстоянием между плоскостями I и III: малым или большим.

1. Если плоскости I и III расположены на малом расстоянии друг от друга, то взаимодействие между дислокациями ББ¢ и ВВ¢, ДД¢ и ГГ¢ так сильно, что они не могут пройти друг над другом, образуя устойчивую конфигурацию (см. раздел «Дислокационные конфигурации»).

Образованные устойчивые диполи (пары дислокаций противоположного знака ГГ¢ и ДД¢) удлиняются по мере движения винтовых отрезков В'Г', АБ' и Д'Е в плоскостях I и III (рис.3.23, а). Затем винтовой отрезок В¢ Г¢ совершает двойное поперечное скольжение в обратном направлении. После этого в плоскости I восстанавливается прямолинейная исходная винтовая дислокация АЕ (рис.3.23, б), а краевые диполи замыкаются, превращаясь в дислокационные петли. Вектор Бюргерса этих петель расположен под углом к их плоскости. Такие дислокационные петли называются призматическими. (При повышенных температурах они являются источниками точечных дефектов).

На рис. 3.24 изображено сечение простейших призматических петель, для которых вектор Бюргерса перпендикулярен плоскости петли. Видно, что они образуются при захлопывании диска из вакансий или при вставлении в решетку диска из внедренных атомов. При растворении (захлопывании) таких петель, испускаются вакансии или внедренные атомы в зависимости от типа петель − вычитания или внедрения.

Рис. 3.23. Движение дислокации после двойного поперечного скольжения в случае коротких выбросов: а – движутся только винтовые отрезки AB’, B’Г′ и Д′ Е. Краевые отрезки Б′ Б – ВВ′ и Г′ Г – ДД′ тормозятся друг на друге, создавая устойчивые диполи Б′ БВВ′ и Г′ ГДД′; б – после обратного поперечного скольжения дислокация АЕ восстанавливается и продолжает свое скольжение в плоскости I как прямолинейная. Краевые диполи превращаются в призматические дислокационные петли БВВ′ Б′ и ГГ′ Д′ Д с противоположными векторами Бюргерса

2. Если плоскости I и III расположены так далеко друг от друга, что взаимодействие дислокаций ББ¢ и ВВ¢, ДД¢ и ГГ ¢ не ощущается, происходят следующие взаимодействия. Во-первых, сразу после двойного поперечного скольжения краевые участки дислокации Б'Б, ВВ' и Г'Г, ДД' движутся навстречу друг другу, как и в предыдущем случае и свободно проходят друг над другом (рис. 3.25, а). При этом они тянут за собой краевые участки в плоскости II так, что на каждый из этих участков БВ и ГД действуют две противоположные cилы (рис. 3.25, б).

Рис. 3.24. Простейшие призматические дислокационные петли (петли Франка): а – диск из вакансий размером L =4 a; б – захлопывание этого диска с образованием призматической петли вакансионного типа (типа вычитания); в – призматическая дислокационная петля типа внедрения, эквивалентная диску из внедренных атомов

В результате отрезки БВ и ГД в среднем остаются неподвижными, и, следовательно, их концы являются на первом этапе хорошими точками закрепления. Поэтому на первом этапе отрезок ВГ винтовой дислокации в плоскости III удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к источнику Франка–Рида: он испускает дислокационную петлю в плоскости III и восстанавливает отрезок ВГ дислокации того же знака, что и исходная дислокация (рис. 3.25, в). Вектор Бюргерса петли лежит в плоскости ее расположения III. Такие дислокационные петли, в отличие от призматических, называются скользящими, так как могут расширяться во все стороны в своей плоскости скольжения.

Рис. 3.25. Движение дислокации после двойного поперечного скольжения в случае «длинных» выбросов на первом этапе: а – краевые участки Б′ Б и ДД′ проходят под участками ВВ′ и ГГ′; б – схема сил, действующих на краевые участки БВ и ГД в плоскости II со стороны остальных частей дислокации; в – образование скользящих дислокационных петель в плоскостях II и III и восстановление прямолинейной дислокации в плоскости I

В плоскости I отрезки краевой ориентации ББ' и ДД' сталкиваются и аннигилируют, при этом восстанавливается исходная прямолинейная дислокация АЕ и рождается отрезок винтовой ориентации БД противоположного знака по отношению к исходной дислокации. В результате в плоскости II образуется скользящая дислокационная петля БВГД.

Итак, в итоге этого этапа двойного поперечного скольжения восстанавливается исходная дислокация АЕ и рождаются две скользящие дислокационные петли В ¢ Г' в плоскости III и БВГД в плоскости II. Петля В ¢ Г ¢ и дислокация АЕ быстро уходят от места двойного поперечного скольжения, и начинается второй этап, связанный с петлей БВГД.

Так как краевые дислокации БВ и ГД имеют противоположный знак, то под действием внешнего напряжения они движутся в противоположные стороны (рис. 3.26, а). При этом силы, действующие на концы Б и В отрезка БВ, направлены в одну сторону (так же, как и на концах Г и Д отрезка ГД), вследствие чего эти отрезки движутся в разные стороны и их концы перестают быть хорошими точками закрепления.

Рис. 3.26. Движение дислокации после двойного поперечного скольжения в случае «длинных» выбросов на втором этапе: а – отрезок ВГ и ДБ образуют полупетли ВВ′ Г′ Г и ДД′ Б′ Б в плоскостях III и I; б – схема сил, действующих при этом на краевые участки ВБ и ДГ; в – расползание всей петли БВГД в плоскостях I, II и III

Если подвижность дислокации в плоскости II такая же, как и в плоскостях I и III, то отрезки дислокации в плоскости II не будут отставать от полупетель ВВ' и ГГ' и вся петля будет расползаться (рис. 3.26, в). Хотя при этом каждый из отрезков петли будет двигаться в своей плоскости (ББ'Д'Д – в I, БВ и ГД – в II, ВВТТ – в III), но при больших размерах петли участки БВ и ГД станут незаметными и вся петля будет вы­глядеть как обычная скользящая.

Если же подвижность дислокации в плоскости поперечного скольжения II будет меньше, чем в основных плоскостях I и III, то отрезки БВ и ГД будут отставать от участков дислокации в основных плоскостях. При этом их концы будут служить относительными стопорами: В и Г в плоскости III, а Б и Д в плоскости I – для выгибающихся на этих плоскостях дуг ВВТТ и ББ'Д'Д. Таким образом, появляются сразу два источника скользящих дислокационных петель в плоскостях I и III, но с медленно движущимися точками закрепления. Поэтому источники испустят какое-либо конечное число дислокационных петель, после чего весь источник расползется аналогично предыдущему случаю. Подвижность дислокаций в плоскости II не может быть выше, чем в плоскостях I и III, поскольку в противном случае плоскость II была бы основной, а I - плоскостью поперечного скольжения.

Экспериментально обнаружено, что общее число дислокационных петель, возникших в результате одного двойного поперечного скольжения, обычно не превышает десяти и уменьшается при увеличении напряжения, стремясь к двум, т. е. к описанному выше случаю (см. рис. 3, 25, в). Таким образом, в результате одного двойного поперечного скольжения с длинным выбросом возникает дислокационный источник, генерирующий до десяти петель.

Скорость генерации дислокаций при двойном поперечном скольжении очень высока. Происходит лавинообразное размножение дислокаций: первая дислокация рождает две новых, каждая из них – еще две и т. д. Общее число дислокаций увеличивается по закону 1→ 3→ 9→ 27→ 81 → …. В случае, если петель больше, чем 2, рост еще более быстрый. Разумеется, лавинообразное увеличение плотности дислокаций идет только на начальных этапах деформации, когда плотность дислокаций еще далека от предельной. При больших плотностях дислокаций начинается их интенсивная аннигиляция, в результате которой скорость роста ρ замедляется и, наконец, достигает максимального предельного значения ρ _mах, при котором число вновь рождающихся дислокаций равно числу аннигилирующих. В зависимости от материала, температуры и способа деформирования максимальная плотность может меняться в широких пределах: от 10¹⁰ до 10¹⁶ м^–2.