Дислокации как одномерные линейные несовершенства кристаллической решетки

Введение
В последние несколько десятилетий резко увеличился объем наших знаний о природе твердого состояния. Одновременно с этим очень сильно расширились области применения твердых тел в самых различных областях техники. Все возрастающие потребности техники стимулируют бурное развитие сравнительно молодой области современного естествознания – химии твердого тела, основными задачами которой являются синтез твердых веществ, изучение их физико-химических свойств, реакций с их участием и в конечном итоге создание материалов с заранее заданными свойствами.
Непосредственно, одним из наиболее важных и актуальных вопросов в работе для полупроводников типов структурных дефектов выступают дислокации как одномерные линейные несовершенства кристаллической решетки.
Целью данной работы является раскрытие фундаментальных свойств отдельных дислокаций и их видовых скоплений в системах механических напряжений несоответствия, а также влияние различных примесей на свойства титана.
Исходя из указанной цели, определены следующие задачи:
- определить влияния составляющей дислокаций несоответствия на энергию системы;
- изучить изменение поля механических напряжений при дислокации;
- выявить особенности формы неустойчивых и стабильных дислокационных конфигураций в неоднородных полях механических напряжений.
ОБРАЗОВАНИЕ ДИСЛОКАЦИИ
Структурными несовершенствами являются внутренние дефекты. В кристаллической структуре могут образоваться пропуски - вакантные места. В сплавах такие вакансии образуются преимущественно вблизи чужеродного атома. Структуры с пропусками называются дефектными. Другое очень важное несовершенство в строении кристаллов - смещения друг относительно друга целых атомных блоков, так называемые дислокации.
Дислокациями в настоящее время объясняется целый ряд свойств твердого тела вообще - как прочностные, так и физико-химические. Дислокации бывают разных видов, причины образования их довольно сложны. Изучение причин образования дислокаций, влияния на свойства твердого тела, распространение их - специальная область исследования.
Первоначально дислокации были введены Вольтеррой и другими авторами, когда они рассматривали упругие свойства цилиндра с разрезом, деформированного различными способами.
Дислокации принадлежат к линейным несовершенствам кристалла. Первоначально представление о дислокациях было введено в физику кристаллов для того, чтобы объяснить несоответствие между наблюдаемой и теоретической прочностью и описать атомный механизм скольжения при пластической деформации кристаллов. Впоследствии теория дислокаций получила широкое развитие и стала применяться для анализа самых разнообразных явлений в металлах и сплавах. Позже были получены прямые доказательства их существования, гипотеза подтвердила свою состоятельность в 1934 году.
Развитие пластической деформации, связанное с перемещением дислокаций, существенно определяется скоростью их движения (подвижностью) и интенсивностью образования (зарождения) подвижных дислокаций. Подвижность дислокаций в предельно чистых и совершенных кристаллах зависит от характера сил межатомных связей, от взаимодействия с фононами и электронами проводимости (в металлах).
Подвижность дислокаций в неидеальных кристаллах уменьшается за счёт их взаимодействия друг с другом и с другими дефектами, которое приводит к торможению движущихся дислокаций и вызывает упрочнение кристалла при деформировании. Но оно же приводит к возникновению новых дислокаций, без чего невозможно обеспечить значительную пластическую деформацию. Если бы новые дислокации не рождались в кристалле, то пластическая деформация прекратилась бы после выхода на поверхность тела всех подвижных дислокаций. При повышении внешних напряжений интенсивность размножения дислокаций увеличивается, и средние расстояния между дислокациями сокращаются. Возникает дислокационная структура, которая либо полностью препятствует движению дислокаций (тогда дальнейший рост нагрузки приводит к разрушению кристалла путём зарождения и распространения микротрещин), либо придаёт движению дислокаций кооперативный характер, обеспечивающий очень большие пластические деформации.
Нарушение регулярности кристаллической решётки в ядре дислокации приводит к тому, что в местах выхода линий дислокаций на внешнюю поверхность тела химическая стойкость кристалла ослабляется и специальные реагенты способны разрушать окрестность оси дислокации

. В результате обработки поверхности кристалла в местах выхода дислокаций образуются видимые ямки. Метод избирательного травления является основным для непосредственного наблюдения отдельных дислокаций в массивных образцах непрозрачных материалов. Дислокации также косвенно влияют на свойства кристаллов, зависящие от характера распределения и перемещения в них точечных дефектов (примесей, вакансий, центров окраски и др.). Во-первых, при определении характера движения дислокация испускает или поглощает вакансии, изменяя их общее количество в кристалле. Динамическое образование заряженных вакансий в ионных кристаллах и полупроводниках может сопровождаться люминесценцией. Во-вторых, скорость диффузионного перемещения точечных дефектов вдоль оси дислокации, как правило, больше, чем скорость их диффузии через объём регулярного кристалла. Коэффициент линейной диффузии вдоль дислокации может на несколько порядков превышать коэффициент объёмной диффузии. Поэтому дислокации играют роль «дренажных трубок», по которым точечные дефекты довольно легко могут перемещаться на большие расстояния в кристалле. В настоящее время используются разнообразные экспериментальные методы изучения дислокаций в металлах и сплавах.
Виды процесса дислокации
Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Дислокации бывают двух видов: краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой край атомной плоскости, которая обрывается внутри кристалла, не доходя до его поверхности. Движение дислокаций в кристаллах ответственно за процессы их пластичной деформации. Пластичный сдвиг в кристалле осуществляется не одновременным перемещением всех атомов - ионов, лежащих в данной плоскости, а последовательным перемещением краевой дислокации от одной группы атомов к другой. В результате дислокация в качестве граница зоны сдвига выходит на поверхность кристалла - происходит элементарный пластичный сдвиг; вектор, длина которого равна величине сдвига, называемой вектором Бюргерса; плоскость, проходящая через этот вектор и линию дислокации, называется плоскостью скольжения.
Дислокации могут перемещаться не только путем обмена местами атомов неполной плоскости с атомами соседней заполненной атомной плоскости, но и в результате перемещения края неполной плоскости вверх или вниз - путем присоединения или отрыва вакансий от края плоскости.
Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (Рисунок 1).
Рис. 1. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б).
Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация. Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (Рисунок 2). На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов. Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки - левая.
Рис. 2. Механизм образования винтовой дислокации
 Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают. В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла. Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла. Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций. Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (Рисунок 3).
Рисунок 3