§ 7. Дислокации - ловушки и дислокации - проводники

На рис. 41 хорошо видно, как дислокация искажает кристаллическую решетку. Над плоскостью скольжения, в зоне, где есть один лишний атом, межатомные расстояния меньше, чем вдали от дислокации: это область сжатия в ядре дислокации. Под плоскостью скольжения расстояния между атомами наоборот значительно больше; это - зона растяжения.

Посмотрим теперь, как это отразится на поведении сплавов, т. е. что будет, если в решетке, кроме атомов основного компонента, есть еще и посторонние атомы.

Вообще при сплавлении разных металлов или металла с неметаллом и последующей кристаллизации расплава образуются твердые растворы двух основных типов - замещения и внедрения. В первом случае атомы второго компонента замещают в узлах решетки атомы растворителя, а во втором - когда радиус атомов растворенного элемента мал - они внедряются в межузлия решетки растворителя. Пример такого раствора (углерод в железе) мы уже рассматривали.

Атомы второго компонента в твердом растворе так же, как и дислокации, искажают кристаллическую решетку растворителя. Если они занимают позиции внедрения, т. е. располагаются в межузлиях решетки основного компонента, то являются центрами растяжения, раздвигают соседние атомы. В растворах замещения знак деформации решетки зависит от соотношения размеров атомов растворенного элемента и растворителя. Если первые крупнее, они будут растягивать решетку, а если наоборот, то сжимать ее.

Ясно, что посторонние атомы и дислокации не будут безразличны друг к другу. Ведь вблизи ядра дислокации есть уже готовые удобные места на все случаи жизни. Если атом второго компонента вызывает растяжение решетки, то он с готовностью займет позицию под краем лишней полуплоскости, где решетка уже растянута. Если же атом сжимает решетку, то его законное место - с противоположной стороны от плоскости скольжения. В любом из этих случаев суммарная энергия искажений решетки, вызванных присутствием в ней дислокации и постороннего атома, уменьшится, а это значит, что между ними существует сила упругого взаимодействия, они испытывают взаимное притяжение.

Рис. 48

Дислокацию, конечно, труднее сдвинуть с места, чем примесный атом, поэтому в этой паре дислокация является горой, а атом - Магометом. "Если гора не идет к Магомету, то Магомет идет к горе" и занимает около нее отведенное ему место. Такой процесс диффузионного перемещения атомов второго компонента к дислокациям приводит в конечном счете к образованию так называемых атмосфер или облаков - скоплений этих атомов вдоль дислокационных линий. Когда все наиболее удобные (ближайшие к ядру) места вдоль дислокации оказываются занятыми, атмосферу считают насыщенной. Скорость насыщения определяется диффузионной подвижностью атомов, которая в свою очередь резко (по экспоненциальному закону) зависит от температуры. Атомы примесей внедрения могут образовывать атмосферы на дислокациях даже при комнатной температуре. Например, в α-железе, содержащем углерод, этот процесс заканчивается примерно за одни сутки. В других растворах для образования атмосфер может потребоваться некоторый подогрев.

Образование облаков примесных атомов на дислокациях имеет важные последствия. Во-первых, это приводит к резко неоднородному распределению второго компонента в растворе. Во-вторых, - и это главное - изменяются свойства самих дислокаций, в частности, уменьшается их подвижность. Дислокация, окруженная атмосферой, может двигаться в решетке либо вместе со своей свитой, либо должна вырваться из невольного плена.

В первом случае облако примесных атомов резко уменьшает скорость дислокаций, поскольку подвижность атомов регулируется главным образом температурой и определяется величиной коэффициента диффузии, а скорость дислокаций зависит, в основном, от величины действующего напряжения. При достаточно высоких напряжениях скорость дислокаций может приближаться к скорости звука в металле - скорости распространения упругих волн. Даже при высоких температурах атмосфера не может угнаться за такой быстрой дислокацией, но и не хочет расставаться с ней. В итоге возникает сила притяжения между дислокацией и не поспевающей за ней атмосферой. Эта сила направлена против приложенной внешней силы.

Во втором случае, когда дислокация вынуждена порвать со своим окружением и уйти вперед, на это нужно затратить дополнительную работу, преодолеть силу ее взаимодействия с атмосферой. Как видно, в любом случае дислокации, "витающей в облаках", приходится не сладко - она находится в худшем положении по сравнению с дислокациями, не обремененными атмосферами или, как их называют, "свежими" дислокациями.

Теперь посмотрим на ситуацию с другой стороны - "глазами" примесных атомов. Допустим, что какая-либо сила (обычно она возникает, когда в кристалле есть области с большим и меньшим содержанием данной примеси) заставляет их двигаться, диффундировать по решетке в определенном направлении (в сторону области с меньшей концентрацией). Если в этом своем движении атомы встретят на пути дислокацию, то она будет играть роль ловушки. Она будет захватывать движущиеся атомы, стремясь включить их в свою атмосферу. Даже если у нее не хватит сил пленить странствующий атом, она по крайней мере может притормозить его движение. В диффузионных терминах это звучит так: увеличивается время оседлой жизни атома, вблизи дислокации уменьшается частота его скачков в нужном ему направлении. Дислокация как бы приглашает путника зайти в гости и хоть немного отдохнуть в удобной позе.

Возможен и другой вариант, когда встретившаяся атому дислокация ориентирована так, что ее ось совпадает с направлением диффузионного потока. В этом случае атом, наоборот, имеет удобный канал для своего движения, так как в ядре дислокации есть области, где промежутки между атомами основного компонента расширены. Эту область облегченной диффузии называют "дислокационной трубкой", по которой атом проскакивает, как говорится, "со свистом". Коэффициент диффузии по дислокационным трубкам составляет ∼10^-5 см²/с (такой же порядок имеет коэффициент диффузии атомов в жидком металле), т. е. он в миллиарды раз превышает коэффициент диффузии в нормальной, неискаженной решетке при не очень высоких температурах.

Этот эффект сильно напоминает другую интересную задачу, к решению которой причастен знаменитый лорд Кельвин: почему следы на мокром песке в первый момент сухие? Причина этого на первый взгляд странного явления в том, что ступая на мокрый песок, мы нарушаем предельно плотную упаковку песчинок, которая образовалась в естественных условиях. При этом увеличивается объем пор, которые могут быть заполнены водой. Вода уходит с поверхности песка и след оказывается сухим. Так и диффундирующие атомы легко просачиваются по каналу с нарушенным порядком укладки атомов основы.