Дислокации в кристаллах, дефекты кристалла, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Дислокации (в кристаллах) и другие дефекты в кристаллах определяют многие физические свойства кристаллов, называемые структурно-чувствительными. В частности, механические свойства кристаллов — прочность и пластичность — обусловлены существованием Дислокации (в кристаллах) и их особенностями.

Рис. 5, а и б — отталкивающиеся и притягивающиеся дислокации; в, г — аннигиляция притягивающихся дислокаций.

  Типы Дислокации (в кристаллах) Простейшими видами Дислокации (в кристаллах) являются краевая и винтовая Дислокации (в кристаллах) В идеальном кристалле соседние атомные плоскости параллельны на всём своём протяжении. В реальном кристалле атомные плоскости часто обрываются внутри кристалла (рис. 1, а), при этом возникает краевая Дислокации (в кристаллах), осью которой является край «лишней» полуплоскости. Применение электронных микроскопов с большой разрешающей способностью позволяет наблюдать в некоторых кристаллах специфичное для краевой Дислокации (в кристаллах) расположение атомных рядов.

Рис. 10. Изогнутый кристалл.

Рис. 1. Краевая дислокация: а — обрыв атомной плоскости внутри кристалла; б — схема образования краевой дислокации.

  Образование краевой Дислокации (в кристаллах) можно представить себе, если надрезать кристалл по части плоскости ABCD (рис. 1, б), сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на одно межатомное расстояние b в направлении, перпендикулярном к АВ, а затем вновь соединить атомы на противоположных краях разреза. Оставшаяся лишняя полуплоскость обрывается вдоль краевой Дислокации (в кристаллах) АВ. Вектор b, величина которого равна межатомному расстоянию, называется вектором сдвига (вектор Бюргерса). Плоскость, проходящая через вектор сдвига и линию Дислокации (в кристаллах), называется плоскостью скольжения краевой Дислокации (в кристаллах)

  Если направление сдвига b не перпендикулярно, а параллельно границе надреза АВ, то получается винтовая Дислокации (в кристаллах) (рис. 2, а). В отличие от краевой Дислокации (в кристаллах), у винтовой Дислокации (в кристаллах) плоскостью скольжения является любая кристаллографическая плоскость, проходящая через линию АВ. Кристалл с винтовой Дислокации (в кристаллах) уже не состоит из параллельных атомных плоскостей, скорее его можно рассматривать состоящим из одной атомной плоскости, закрученной в виде геликоида или винтовой лестницы без ступенек (рис. 2, б). На рис. 2а, показано расположение атомов выше (белые кружки) и ниже (чёрные кружки) плоскости скольжения в простой кубической решётке с винтовой Дислокации (в кристаллах) Если винтовая Дислокации (в кристаллах) выходит на внешнюю поверхность кристалла, то в точке выхода А (рис. 2, б) обрывается ступенька AD высотой в толщину одного атомного слоя. Эта ступенька активно проявляет себя в процессе кристаллизации. Атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке на поверхности растущего кристалла. Количество атомов, захватываемых ступенькой, и скорость смещения ступеньки по поверхности кристалла больше вблизи выхода Дислокации (в кристаллах) Поэтому ступенька закручивается вокруг оси Дислокации (в кристаллах) Ступенька последовательно поднимается с одного кристаллического «этажа» на другой, что приводит к спиральному росту кристалла.

Рис. 2. Винтовая дислокация: а — схема образования винтовой дислокации; б — расположение атомов в кристалле с винтовой дислокацией (атомы располагаются в вершинах кубиков).

Рис. 2а. Винтовая дислокация. Расположение атомов в плоскости скольжения винтовой дислокации.

  Между предельными случаями краевой и винтовой Дислокации (в кристаллах) возможны любые промежуточные, в которых линия Дислокации (в кристаллах) составляет произвольный угол с вектором сдвига (смешанная Дислокации (в кристаллах)). Линия Дислокации (в кристаллах) не обязательно должна быть прямой, она может представлять собой произвольную кривую. Линии Дислокации (в кристаллах) не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петли, либо разветвляться на несколько Дислокации (в кристаллах), либо выходить на поверхность кристалла. Плотность Дислокации (в кристаллах) в кристалле определяется как среднее число линий Дислокации (в кристаллах), пересекающих проведённую внутри тела площадку в 1 см², или как суммарная длина Дислокации (в кристаллах) в 1 см³. Плотность Дислокации (в кристаллах) обычно колеблется от 10² до 10³ на 1 см² в наиболее совершенных монокристаллах и доходит до 10¹¹—10¹² на 1 см² в сильно искажённых (наклёпанных) металлах (см. ниже).

  Дислокации (в кристаллах) — источники внутренних напряжений. Участки кристалла вблизи Дислокации (в кристаллах) находятся в упруго напряжённом состоянии. Напряжения убывают обратно пропорционально расстоянию от Дислокации (в кристаллах) Поля напряжений вблизи отдельных Дислокации (в кристаллах) выявляются (в прозрачных кристаллах с низкой плотностью Дислокации (в кристаллах)) с помощью поляризованного света (см. Фотоупругость). В зависимости от взаимной ориентации векторов сдвига двух Дислокации (в кристаллах) они притягиваются или отталкиваются. При сближении двух Дислокации (в кристаллах) с одинаковыми векторами сдвига (рис. 3, а) увеличивается сжатие кристалла по одну сторону от плоскости скольжения и растяжение — по другую сторону. При сближении Дислокации (в кристаллах) с противоположными векторами сдвига сжатие и растяжение по обе стороны от плоскости скольжения взаимно компенсируются (рис. 3, б, в, г). Величина упругой энергии, обусловленной полем напряжений Дислокации (в кристаллах), пропорциональна b² и составляет обычно величину ~ 10^-4эрг на 1 см длины Дислокации (в кристаллах)

  Перемещение Дислокации (в кристаллах) Дислокации (в кристаллах) могут перемещаться в кристалле, вызывая его пластическую деформацию. Перемещение Дислокации (в кристаллах) в плоскости скольжения называется скольжением. В результате скольжения одной Дислокации (в кристаллах) через кристалл происходит пластический сдвиг на одно межатомное расстояние b (рис. 4). При перемещении Дислокации (в кристаллах) в плоскости скольжения в каждый данный момент разрываются и пересоединяются связи не между всеми атомами на плоскости скольжения (рис. 4, а), а только между теми атомами, которые находятся у оси Дислокации (в кристаллах) (рис. 4, б). Поэтому скольжение Дислокации (в кристаллах) происходит при сравнительно малых внешних напряжениях. Эти напряжения на несколько порядков ниже, чем напряжение, при котором может пластически деформироваться совершенный кристалл без Дислокации (в кристаллах) (теоретическая прочность на сдвиг, см. Пластичность). Сдвиговую прочность, близкую к теоретической, могут иметь, например, нитевидные кристаллы (усы), не содержащие Дислокации (в кристаллах)

  Перемещение краевой или смешанной Дислокации (в кристаллах) в направлении, перпендикулярном к плоскости скольжения, называется переползанием (восхождением). Оно осуществляется путём диффузии атомов (или встречного движения вакансий) из кристалла к краю полуплоскости, образующему Дислокации (в кристаллах) (рис. 5). Т. к. скорость диффузии очень резко (экспоненциально) уменьшается с понижением температуры, переползание происходит с заметной скоростью только при достаточно высоких температурах. Если кристалл с Дислокации (в кристаллах) находится под нагрузкой, то потоки атомов и вакансий направлены так, чтобы упругие напряжения уменьшились. В результате происходит пластическая деформация кристалла не за счёт скольжения, а за счёт переползания Дислокации (в кристаллах) Т. о., пластическая деформация кристалла с Дислокации (в кристаллах) всегда представляет собой движение Дислокации (в кристаллах) При этом скорость пластической деформации кристалла оказывается прямо пропорциональной плотности движущихся Дислокации (в кристаллах) и их средней скорости. Пластическая деформация кристалла без Дислокации (в кристаллах) осуществляется путём диффузии точечных дефектов.

  Подвижность Дислокации (в кристаллах) Скольжению Дислокации (в кристаллах) препятствует не только прочность разрываемых межатомных связей, но и рассеяние тепловых колебаний атомов и электронов проводимости (в металлах) в упруго искажённой области кристалла, окружающей движущиеся Дислокации (в кристаллах), а также упругое взаимодействие с др. Дислокации (в кристаллах), с атомами примесных элементов в твёрдых растворах, межзёренные границы в поликристаллах, частицы др. фазы в распадающихся сплавах, двойники (см. Двойникование) и др. дефекты в кристаллах. На преодоление этих препятствий тратится часть работы внешних сил. В результате этого подвижность Дислокации (в кристаллах) зависит от структуры решётки тем больше, чем меньше дефектов содержит кристалл. Скорость скольжения Дислокации (в кристаллах) резко возрастает с напряжением, но не превосходит скорости распространения звука в кристалле. Скорость переползания пропорциональна напряжению.

  Образование и исчезновение Дислокации (в кристаллах) Обычно Дислокации (в кристаллах) возникают при образовании кристалла из расплава или из газообразной фазы (см. Кристаллизация). Методы выращивания монокристаллов, совсем не содержащих Дислокации (в кристаллах), очень сложны и разработаны только для немногих кристаллических веществ. После тщательного отжига кристаллы содержат обычно 10⁴—10⁵ Дислокации (в кристаллах) на 1 см². При малейшей пластической деформации такого кристалла Дислокации (в кристаллах) интенсивно «размножаются» (рис. 6), без чего невозможна значительная пластическая деформация кристалла. Если бы новые Дислокации (в кристаллах) не рождались в кристалле, то деформация прекратилась бы после выхода на поверхность кристалла всех имеющихся в нём Дислокации (в кристаллах)

Рис. 6. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и пересоединением межатомных связей. В кристалле без дислокаций сдвиг в плоскости скольжения требует одновременного разрыва всех межатомных связей.

  Притягивающиеся Дислокации (в кристаллах) с противоположным вектором сдвига, лежащие в одной плоскости скольжения, при сближении уничтожают друг друга (аннигилируют, рис. 3, б, в, г). Если такие Дислокации (в кристаллах) лежат в разных плоскостях скольжения, то для их аннигиляции требуется переползание. Поэтому при высокотемпературном отжиге, способствующем переползанию, понижается плотность Дислокации (в кристаллах)

  Дислокации (в кристаллах) — источник кривизны решётки. Участки кристалла, разделённые рядами (рис. 7) или сетками из Дислокации (в кристаллах), имеют различную ориентацию атомных плоскостей и называются кристаллическими блоками. Если Дислокации (в кристаллах) расположены равномерно по объёму кристалла, то блочной структуры нет, но решётка искривлена (рис. 8).

Рис. 7. Переползание краевой дислокации. Атомы лишней полуплоскости переходят в вакантные узлы решётки.

Рис. 8. Схема источника дислокаций Франка — Рида. В точках А и В закреплен отрезок дислокации. Под действием внешней нагрузки (стрелка) он прогибается, принимая последовательно конфигурации а — ж, пока не отшнуруется замкнутая дислокационная петля с восстановлением исходного отрезка АВ. На стадии е притягивающиеся участки петли m и n аннигилируют.

Рис. 9. Дислокации, образующие межблочную границу.

  Искривление атомных плоскостей и искажение межплоскостных расстояний вблизи Дислокации (в кристаллах) увеличивают интенсивность рассеяния рентгеновских лучей и электронов. На этом основаны рентгеновские и электронномикроскопические методы наблюдения Дислокации (в кристаллах)

  Дислокационная структура деформированных кристаллов. Разрушение. Распределение Дислокации (в кристаллах) в деформированных кристаллах обычно неравномерное. При малой степени деформации (обычно до 10%) Дислокации (в кристаллах) часто располагаются вдоль выделенных плоскостей скольжения. С ростом деформации возникает (обычно в металлах) блочная структура, выявляемая с помощью электронного микроскопа или по рассеянию рентгеновских лучей. С ростом деформации размер блоков падает. При размножении Дислокации (в кристаллах) средние расстояния между Дислокации (в кристаллах) сокращаются, их поля упругих напряжений взаимно перекрываются и скольжение затрудняется (деформационное упрочнение кристалла). Чтобы скольжение могло продолжаться, приложенное внешнее напряжение необходимо повысить.

  При дальнейшем размножении Дислокации (в кристаллах) внутренние напряжения могут достигать значений, близких к теоретической прочности. Тогда наступает разрушение кристалла путём зарождения и распространения в нём микротрещин. Этому могут способствовать также и тепловые колебания.

  Влияние Дислокации (в кристаллах) на физические свойства кристаллов. Дислокации (в кристаллах) влияют не только на такие механические свойства твёрдых тел, как пластичность и прочность, для которых присутствие Дислокации (в кристаллах) является определяющим, но и на др. физические свойства кристаллов. Например, с увеличением числа Дислокации (в кристаллах) уменьшается плотность кристалла, возрастает внутреннее трение, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление. Дислокации (в кристаллах) увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле и ускоряют старение и др. процессы, протекающие с участием диффузии. Дислокации (в кристаллах) уменьшают химическую стойкость кристалла, так что в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами (травителями) в местах выхода Дислокации (в кристаллах) образуются видимые ямки. На этом основано выявление Дислокации (в кристаллах) в непрозрачных материалах методом избирательного травления.

 

  Лит.: Ландау Л. Дислокации (в кристаллах), Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М., Курс общей физики, М., 1965, § 105; Бюренван Х. Г., Дефекты в кристаллах, пер. с англ., М., 1962; Фридель Ж., Дислокации, пер. с англ., М., 1967; Инденбом В. Л., Орлов А. Н., Физическая теория пластичности и прочности, «Успехи физических наук», 1962, т. 76, с. 557; Котрелл А., Теория дислокаций, пер. с англ., М., 1969; Хирт Дж., Лоте И., Теория дислокаций, пер. с англ., М. [в печати].

  А. Н. Орлов.