Курсовая работа по теме: "«Изменение плотности дислокации металлов, облученных мощным ионным пучком»"

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего образования

«Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского»

Физический Факультет

Кафедра общей физики

Курсовая работа

«Изменение плотности дислокации металлов, облученных мощным ионным пучком»

Работу выполнила

Студентка 3 курса

 группы ФФБ-701-О-01

Харченко В.С.

Научный руководитель

доцент Панова Т.В.

Омск 2020

Содержание

Введение ………………………………………………………………………..3

Глава 1. Процессы, происходящие в твердых телах при облучении пучками заряженных частиц……………………………………………………………..4

1.1 Лазерные пучки………………………………………………………5

1.2 Электронные пучки………………………………………………….7

1.3 Ионные пучки………………………………………………………..9

1.4 Импульсная плазма………………………………………………….13

Глава 2.

2.1 Понятие дефектной структуры в твердых телах (общая характеристика точечных, линейных и пространственных

Дефектов………………………………………………………………….17

2.2Дислокации (краевые, винтовые и смешанные), контур и вектор Бюргерса, влияние плотности дислокаций на физико-механические свойства материалов)…………………………………………………….21

Заключение……………………………………………………………………...31

Список литературы……………………………………………………………..32

Введение

Актуaльность: Взаимодействие мощных импульсных пучков заряженных частиц (ИПЗЧ) с твердым телом активно исследуется на протяжении последних трех десятилетий. Первые публикации на эту тему появились прaктически сразу после создания импульсных ускорителей и привлекли внимание тем, что в них было показано, что при переходе от непрерывного к высокоинтенсивному импульсному режиму облучения происходит качественное изменение природы радиационно-стимулированных процессов. Особенно это заметно для микро- и нaносекундных пучков. Это обстоятельство помимо чисто нaучных задач породило значительные надежды по поводу технологического применения импульсных ускорителей зaряженных частиц для модификации физико-химических свойств материалов и изделий.

 Облучение (воздействие) пучкaми концентрированных потоков энергии, позволяет изменять структуру и свойства мaтериалов, модифицировать и получать улучшенные характеристики материалов, поэтому облучение является актуальным.

Цель работы. Провести анaлиз изменения плотности дислокaций в металлaх, облученных мощным ионным пучком.

Глава 1. Процессы, происходящие в твердых телах при облучении пучками заряженных частиц

В материаловедении как междисциплинарной науке о взаимосвязи между структурным состоянием и особенностями твердых тел известно, что многие различные технологии влияют на материалы. В последние годы интенсивно развиваются радиационно-лучевые технологии как для получения, так и для модификации материалов. Научная основа радиационно-пучковые технологии -это результат исследований взаимодействия электронов, ионов и атомов, их плазменных нитей, лазерного излучения и гамма-лучей с твердыми телами. Традиционные методы изменения основаны на химическом и радиационном воздействии на поверхностные слои материалов. Современные светолучевые технологии используют тепловую, кинетическую, электрическую и магнитную составляющие энергии и различные способы подачи энергии к мишени: непрерывную, периодическую, точечную, линейную, поверхностную, квази-объемную[1].

Виды радиационных технологий:

-Ионно-пучковые технологии;

- Плазменная технология;

- Плазменные ионные технологии;

- Технологии, основанные на использовании создаваемых концентрированных энергетических потоков ( лазерное излучение, сильное электронно-импульсное излучение, сильные ионно-импульсные лучи, высокотемпературные плазменные потоки)

Лазерные пучки

Ускоренные атомы в виде полиэнергетических пучков является рабочим телом ионном - пучковых и плазменных технологий. Для бомбардировки поверхности твердых тел применяются ионы разных химических элементов - металлические и газовые, которые получаются в ионном источнике. Поток, энергия ионов, флюенс выбирают в зависимости от решаемой задачи при обработке материалов. Ионно-пучковые технологии широко применяются как в науке, так и в технике. Настоящее время идет производственное освоение ионной технологии, в которых мы рассмотрим два технологических направления[1].

Синтез новых материалов:

-Нанесения покрытия на заднюю подложку путем распыления специально выбраной мишени;

 - Бомбардировка подложки в процессе нанесения покрытия для улучшения плотности наносимых слоев;

- Имплантация выбранных ионов в мишень для создания практически нового материала;

 - Ионна пучковая эпитаксии при создании полупроводниковых структур.

Модифицирование поверхностного слоя

- С помощью распыления атомов на поверхности, происходит формирование заданного рельефа;

- Путем имплантации происходит изменение структуры (например, аморфной на кристаллическую)

- Изменение фазового состояния и элементного состава путем имплантации.

Мы видим, что имплантация является наиболее распространенной технологической операцией. Она имеет ряд достоинств, к которым можно отнести: имплантация не зависит от диффузии (низкие температуры, малый промежуток времени), образование фаз, воспризводимость результатов и отсутствие изменений в объеме материала, и др. Также технология имеет и свои недостатки: маленькая глубина модифицированного слоя (микрометры), обработка может проводится только в зоне прямого пучка ионов, из-за распыления мишени имеются ограничения на количество вводимых элементов[3].

Электронные пучки

Использование электронных пучков было начато в конце 20 века. В 1940 г. пучок электронов применялся для плавки материалов. Промышленное применение началось с радиационной стерилизации медицинских инструментов, радиационного отверждения лакокрасочных покрытий и других технологических процессов в 50-е года. В это же время электронно-лучевая трубка применялась для сверления отверстий и сварки ядерных реакторов. Для термической обработки металла в изделиях космической и атомной, авиационной техники электронно - лучевые установки начали применять в середине 50 годов. В это  время уже было понимание того, что промышленная радиационная установка должна иметь высокую надежность, безопасность и КПД, простоту обслуживания и низкую стоимость[1].

К основным параметрам электронных пучков, которые определяют характер их взаимодействия с веществом относятся: плотность мощности пучка на мишени; "расходимость" пучка; энергетическое распределения электронов пучка; профиль фокусировки; распределение мощности по фокальному пятну и диаметр фокального пятна. Эти характеристики очень важный для разных приложений.

Условно воздействие ЭП на вещество можно разделить на тепловое и радиационное. При радиационном воздействии плотность мощности пучка не может превышать 200 Вт/см2. Этого достаточно для радиационного модифицирования ряда продуктов, биологических и медицинских объектов, стимулирования химико-физических процессов в ряде металлов. Превалирует и возрастает тепловое воздействие на вещество при увеличении плотности мощности потока электронов.

При воздействии МЭП происходит множество различных процессов, в результате которых проникающие в него частицы испытывают многократное неупругое и упругое рассеяние и теряя свою энергию, термализуются[2]. Таким образом основная часть энергии, в конечном итоге превращается в тепло. Облученное вещество разогревается до степени, определяемой балансом поступающей от пучка энергии и выносом этой энергии из области воздействия за счет теплопроводности и выброса вещества и излучения. В результате теплового воздействия ЭП в веществе происходят модифицирующие процессы:

• Быстрый нагрев мишени (и при импульсном воздействии быстрое охлаждение)
• Плавление материалов мишени
• Объемное и поверхностное сублимация или испарение ( возгонка в газ и пар, минуя жидкую фазу)
• Синтез соединений

Ионные пучки

В семидесятые годы большое внимание уделялось инерционному термоядерному синтезу легких ядер. Основным источником поджига мишени, состоящей из термоядерного топлива, считали излучение мощных лазеров. Однако лазеры того времени имели очень низкий коэффициент преобразования подводимой энергии в энергию излучения. Альтернативными драйверами могли быть мощные пучки электронов и ионов. Таким образом появились источники и ускорители мощных ионных пучков[1].

Параметры мощных ионных пучков.

При разработки новых ускорителей основной задачей является получение максимального энерговклада в мишень и, что особенно важно, за минимально короткое время. Этой задаче были посвящены исследования и разработки новых мощных импульсных ионных источников, импульсных систем электропитания и транспортировки пучка ионов к мишени. Физические основы методов создания ускоряющих полей для ионов базируются на общих принципах электродинамики. Вспомним, что существует два основных пути ускорения ионов: прямые и коллективные. Прямые методы генерации МИП основаны на получении плазмы в двух основных системах: отражательные системы и системы с магнитной изоляцией. К отражательным системам относят двойные диоды, асимметричные и симметричные  триоды, плазмонаполненные системы и тетроды. Системы с магнитной изоляцией представлены магнитно-изолированными диодами и диодами с пинчеванием пучка электронов.

Коллективные методы – это методы, основанные на использовании некой «среды» для ускорения ионов[3].

В действующих ускорителях МИП применяются различные диодные источники. К примеру, ТЕМП-1 обладает диодом с самоизоляцией, ТЕМП-2 оснащен диодом с внешней магнитной изоляцией, МУК- магнитно-изолированным диодом плоского типа с внешним магнитным полем.

Особенности взаимодействия МИП с твердым телом

Физической основой любой пучковой технологии является взаимодействие ионов с мишенью. При низко интенсивных пучках результат взаимодействия определяется суммированием взаимодействия отдельных ионов. С ростом интенсивности пучка результат взаимодействия ионов определяется коллективным взаимодействием с твердым телом всего ансамбля частиц. В отличие от лазерного излучения и электронного пучка, ионный пучок, воздействуя на вещество, изменяет его энергетическое и зарядовое состояние, изменяет элементный состав, воздействует как носитель массы.
        При рассмотрении взаимодействия МИП с твердым телом важными являются: нахождение распределения термализованных (достигших температуры среды) частиц, поглощенной энергии и степени радиационного повреждения мишени: изучение доли отраженных частиц и степени распыления мишени; изучение спектра вторичных излучений, процессов перезарядки и др. Весьма важным является рассмотрение коллективного взаимодействия пучка с мишенью, образование паро-плазменной подушки на поверхности мншени и взаимодействие пучка с этой плазмой. Характер взаимодействия зависит от плотности мощности пучка. При плотности мощности более 104 Вт/см2 результат воздействия ионного пучка зависит не только от параметров ионов (энергии, массы, заряда) и физических свойств (спектра возбуждений, плотности) мишени, но и от параметров пучка в целом (плотность мощности, форма импульса) и макроскопических свойств мишени (теплопроводности, теплоемкости, предела прочности, модуля упругости и др.) и состава мишени. При увеличении плотности мощности пучка ионов более 107 Вт/см2 необходимо учитывать испарения атомов мишени, ионизацию паров (образование плазмы), излучение плазмы. При плотности мощности более 1013 Вт/см2 проникновение пучка в вещество сопровождается измене-нием макро- и мнкропараметров среды за время импульса.
             В технологических задачах используются пучки средней интенсивности, достаточной для быстрого разогрева мишени до фазового перехода. Взаимодействие таких пучков с мишенью носит коллективный характер и характеризуется большими температурными градиентами, высокими механическими напряжениями и изменением состояния и свойств мишени, а при определенных условиях и сильным поглощением ионов образующейся плазмой. Тепловая составляющая воздействия МИП на твердое тело существенно больше радиационной. Большое влияние на результаты воздействия МИП оказывают спектральный и массовый состав пучка и угловое распределение частиц.
            Проникновение МИП в мишень характеризуется малыми пробегами и страгглингом, и поэтому поверхностный слой быстро нагревается до высоких температур, создавая значительные градиенты температуры. Величина градиента температуры зависит от параметров пучка и теплофизических свойств материала, и в первую очередь от теплопроводности. Импульсный характер воздействия МИП определяет высокие скорости нагрева и охлаждения мишени. Временные параметры взаимодействия МИП с твердым телом характеризуются следующими величинами: типичная длительность импульса 1-100 нс, время торможения иона в твердом теле 10-3-10-2 нс, время установления локального термодинамического равновесия в треке иона 0,1-1 нс. При этом отметим, что характерное время распространения теплоты более 1 мкс. Выделенную энергию пучка в узком поверхностном слое (толщиной - 1 мкм) можно рассматривать как источник энергии[1]. 

             Выделенная энергия формирует определенное поле температур (распределение по глубине мишени), изменяемое как во время импульса, так и после. Параметры распределения температуры в начальный момент времени будут, в основном, определяться энергией ионов, плотностью потока (плотностью мощности) и длительностью импульса. Закономерности эволюции температурного поля будут зави-сеть от характера теплоотвода и, следовательно, свойств материала мишени, ее размеров. Проведенные расчеты показали, что разогретая область охлаждается со скоростями - 106 К/с, а в начальные моменты времени в окрестности пробега ионов еще быстрее. Более того, при энергиях ионов – МэВ, когда максимум энерговыделения лежит в зоне проективного пробег ионов, отстоящей от поверхности на расстоянии - мкм, после окончания импульса воздействия приповерхностный слой продолжает нагреваться в течение – 10-5с, со скоростью порядка 106 К/с за счет теплоотвода из внутренних областей. По окончании этого времени начинается охлаждение приповерхностного слоя мишени со скоростью – 106 К/с.

Таким образом, в зависимости от параметров ионного пучка и свойств материала мишени, в результате воздействия МИП можно осуществлять внедрение ионов (имплантацию) и образование радиационных дефектов, нагревание мишени до наперед заданных температур, формировать в мишени напряженное состояние, разрушать мишень путем откола ее части или перевода определенного слоя в плазму.

Импульсная плазма

Взаимодействие мощных импульсных пучков заряженных частиц (ИПЗЧ) с твердым телом активно исследуется на протяжении последних трех десятилетий. Первые публикации на эту тему появились практически сразу после создания импульсных ускорителей и привлекли внимание тем, что в них было показано, что при переходе от непрерывного к высокоинтенсивному импульсному режиму облучения происходит качественное изменение природы радиационно-стимулированных процессов. Особенно это заметно для микро- и наносекундных пучков. Это обстоятельство помимо чисто научных задач породило значительные надежды по поводу технологического применения импульсных ускорителей заряженных частиц для модификации физико-химических свойств материалов и изделий[1].

Проведенные в последние годы исследования показали, что среди разрабатываемых радиоционно-пучковых технологий обработки материалов перспективным является применение потоков высокотемпературной импульсной плазмы. В основе технологического использования ВТИП лежат результаты исследования  взаимодействия КПЭ с твердым телом. Анализ этих результатов показал, что при воздействии ВТИП возможны процессы, вызывающие структурно-фазовые изменения в поверхностном слое твердого тела:

• Быстрый нагрев мишени до испарения и плавления
• Возбуждение волн сжатия в мишени за счет импульса отдачи
• Ионное легирование компонентами плазмы
• Образование плазмы и пара над поверхностью мишени.

В настоящие время разработка технологии модифицирования материалов с использованием потоков ВТИП находится на стадии экспериментальных исследований и опытно-промышленного использования.

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям, а более конкретно - к плазменным ускорителям и способам ускорения плазмы, которые могут использоваться, в первую очередь, для создания реактивной тяги, например, в качестве электроракетного двигателя (ЭРД), устанавливаемого на борту космического летательного аппарата (КЛА), а также для генерации высокоскоростных плазменных потоков при проведении экспериментальных исследований и модельных испытаний. Кроме того, изобретение может применяться для осуществления различного рода технологических операций по обработке изделий и модификации свойств материалов.

Предшествующий уровень техники

Плазменными ускорителями принято называть устройства, посредством которых производится ионизация рабочего вещества и последующее ускорение ионизованного газа (плазмы) под действием электромагнитных сил и сил газового давления в процессе генерации электрического разряда.

Ускорение плазмы в плазменных ускорителях происходит в результате электрического пробоя межэлектродного промежутка. В стационарных плазменных ускорителях длительность электрического разряда достаточно продолжительна - характерное время пробоя t составляет не менее одной секунды. В импульсных плазменных ускорителях (ИПУ) электрический разряд носит более кратковременный характер. Длительность импульсного разряда составляет t~1-100 мкс.

Импульсные плазменные ускорители в настоящее время применяются как исполнительные органы систем управления КЛА, а также в качестве импульсных инжекторов низкотемпературной плазмы.

Как известно, для поддержания заданного орбитального положения КЛА в процессе торможения в относительно плотной остаточной атмосфере космического пространства целесообразно использование малогабаритных двигательных установок с низким потреблением электрической энергии. Таким требованиям удовлетворяют двигательные установки на базе ИПУ. В большинстве таких установок в качестве рабочего вещества используется твердый диэлектрик, выделяющий газообразные продукты в результате абляции под воздействием тепловой и лучистой энергии генерируемого электрического разряда.

В настоящее время проявляется тенденция к широкому использованию в космосе сравнительно простых по конструкции и дешевых низкоорбитальных (с высотой орбиты Норб=400-1000 км) маломассогабаритных космических аппаратов (МКА), имеющих характерные массы в диапазоне от 50 до 500 кг. Однако такие МКА обладают существенно ограниченными возможностями энергоснабжения ЭРД, обеспечивающих высокую точность поддержания орбитальных параметров как отдельных МКА, так и группировок МКА. Для этих целей требуются высокоэффективные малогабаритные ЭРД, способные корректировать и стабилизировать орбиты МКА при минимальной потребляемой мощности.

Стационарные плазменные ускорители, используемые в качестве электрореактивных двигателей для управления МКА, обладают рядом серьезных недостатков, к числу которых относятся: сложность конструкции плазменного ускорителя, сложность изготовления и эксплуатации ускорителя, высокий уровень расходов на изготовление и эксплуатацию, а также недостаточная тяговая эффективность (эффективность ускорения плазмы) и невысокая надежность работы при уровне потребляемой мощности менее 150 Вт.

Абляционный импульсный плазменный ускоритель является наиболее перспективньм двигателем для МКА с точки зрения простоты конструкции, надежности, дешевизны и способности нормально функционировать при потребляемой мощности от единиц Вт до сотен Вт. Кроме того, ИПУ обеспечивает наивысшую точность управления КЛА по сравнению с иными типами двигательных установок, используемых в качестве исполнительных органов. Однако эффективность известных ИПУ не удовлетворяет действующим требованиям для решения большинства задач по управлению МКА.

Существенное повышение эффективности работы ИПУ, прежде всего в диапазоне потребляемой мощности от 20 до 300 Вт, в котором осуществляется и будет осуществляться в ближайшем будущем решение основных задач по контролю орбитальных параметров МКА, принципиально важно для расширения диапазона функционирования МКА.

Основными техническими проблемами ИПУ в настоящее время является чрезмерное запаздывание по отношению к разрядному току испарения рабочего вещества и связанное с этим обстоятельством неэффективное ускорение значительной части генерируемой плазмы, что в целом отрицательно влияет на эффективность ускорителя (эффективность ускорения плазмы).

2.1 Понятие дефектной структуры в твердых телах (общая характеристика точечных, линейных и пространственных дефектов.

Идеального кристаллического строения в природе не бывает. Экспериментально установлено наличие трех типов дефектов микроструктуры на атомном уровне в металлах и сплавах: точечных, линейных и поверхностных.

Рис. 1 Точечные дефекты: а)вакансия,

б) межузельный (дислоцированный) атом

1. Точечные дефекты – вакансии и межузельные атомы малы во всех трех измерениях и искажают кристаллическую решетку только на расстояниях порядка 10–10 м. Концентрация точечных дефектов в металлах при комнатной температуре составляет порядка 10–13 ат. %; при нагреве до температур близких к плавлению и особенно при облучении нейтронами в ядерном реакторе она может достигать 1…3 ат. %, что приводит к разбуханию и потере прочности металлоконструкций[4].

2. Линейные дефекты – краевые и винтовые дислокации имеют большую протяженность в одном измерении и проявляются в нарушении правильного расположения атомных плоскостей. От числа, характера расположения и подвижности дислокаций в кристаллах сильно зависят механические и многие физические свойства монокристаллических и поликристаллических материалов.

Плотность дислокаций – суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема составляет у чистых неупрочненных металлов 106…108 см–2, а у деформированных – достигает 1012…1013 см–2, дальше появляются трещины и металл разрушается. Наличие достаточного числа дислокаций облегчает движение атомов, а, следовательно, и деформацию неупрочненных металлов. Из-за большого числа дислокаций прочность реальных (дефектных) кристаллических материалов во много раз меньше теоретической прочности, рассчитанной на основании сил взаимодействия между атомами для идеальных (бездефектных) структур[6].

Зависимость сопротивления деформации от плотности дислокаций: 1 – теоретическая прочность; 2–4 – техническая прочность (2 – «усы»; 3 – чистые неупрочненные металлы; 4 – сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической или термомеханической обработкой)

Плотностью дислокаций, а, следовательно, и свойствами материала можно управлять в очень широком диапазоне. Исходя из вида кривой, возможны два принципиально различных способа повышения прочности материалов.

Традиционными методами повышения прочности материалов за счет повышения числа дислокаций являются: легирование, холодная деформация, термическая или термомеханическая обработка. Самая эффективная из них – термомеханическая обработка позволяет повысить прочность до 1/3 от теоретической.

Во второй половине ХХ в. нанотехнологи научились выращивать нитевидные монокристаллы – усы[23](длиной до 2…10 мм и диаметром 0,5…2 мкм) с одной винтовой дислокацией, прочность которых приближается к теоретической[24]. Такие «усы» используются для армирования высокопрочных волокнистых композиционных материалов, в приборостроении (для микроподвесок), в микроэлектронике и т. п.

3. Поверхностные дефекты имеют большую протяженность в двух измерениях; наиболее существенными из них являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки и границы двойников.

Границы между зернами обусловлены поликристаллическим строением металлов, они представляют собой узкую переходную область шириной до 5…10 межатомных расстояний, в которой атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна. По границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Атомные решетки (плоскости) соприкасающихся зерен металла разориентированы на величину до нескольких десятков градусов, что приводит к образованию, так называемых, большеугловых границ.

Каждое зерно металла, как правило, состоит из отдельных субзерен – блоков, образующих субструктуру. Поперечные размеры субзерен (блоков) составляют 0,1…1 мкм, т. е. блоки на один – три порядка меньше размеров кристаллитов. Если не учитывать точечные дефекты, то в пределах каждого блока кристаллическая решетка почти идеальна. Субзерна повернуты один по отношению к другому на угол от малых долей до единиц градусов, образуя субграницы (малоугловые границы). Установлено, что малоугловые границы образованы упорядоченными скоплениями (так называемыми, стенками) большого количества краевых дислокаций (┴) .

 Субструктура зерна: 1 – границы между зернами (большеугловые границы), 2 – границы между субзернами (малоугловые границы), 3 – субзерна (блоки)

Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев.

Все поверхностные дефекты, включая дефекты упаковки и границы двойников*, представляют собой рассогласования в расположении пакетов атомных плоскостей.

2.2Дислокации (краевые, винтовые и смешанные)

Дислокации принадлежат к линейным несовершенствам кристалла. Первоначально представления о дислокации были введены в физику твёрдого тела в 1934 году для того, чтобы объяснить несоответствие между наблюдаемой и теоретической прочностью и описать атомный механизм скольжения при пластической деформации кристаллов. Численные теоретические значения скалывающих напряжений, необходимых для деформации оказываются больше экспериментальных в 10- 10раз. Такая разница между расчётной и экспериментальной величинами свидетельствует о том, что механизм процесса сдвига при деформации, основанный на предположении, что части кристалла при этом смещаются относительно друг друга вдоль плоскости скольжения как жесткие системы, не соответствует реальности. Это объясняется тем, что в кристалле, находящемся под внешним напряжением, взаимодействуют уже существующие в нём и возникающие под воздействием внешнего напряжения особого рода дефекты кристаллической решётки. Впоследствии теория дислокаций получила широкое развитие и стала применяться для анализа самых разнообразных явлений в металлах и сплавах. При этом, если на первых этапах развития этой теории представления о дислокациях были чисто гипотетическими, то затем были получены прямые доказательства их существования, а в настоящее время используются разнообразные экспериментальные методы изучения дислокаций в металлах и сплавах[4].

Основные типы дислокаций: краевые, винтовые и смешанные дислокации. Вектор Бюргерса. Перемещение дислокаций скольжением и переползанием.

Дислокации принадлежат к линейным несовершенствам кристалла. Первоначально представления о дислокации были введены в физику твёрдого тела в 1934 году для того, чтобы объяснить несоответствие между наблюдаемой и теоретической прочностью и описать атомный механизм скольжения при пластической деформации кристаллов. Численные теоретические значения скалывающих напряжений, необходимых для деформации оказываются больше экспериментальных в 10- 10раз. Такая разница между расчётной и экспериментальной величинами свидетельствует о том, что механизм процесса сдвига при деформации, основанный на предположении, что части кристалла при этом смещаются относительно друг друга вдоль плоскости скольжения как жесткие системы, не соответствует реальности. Это объясняется тем, что в кристалле, находящемся под внешним напряжением, взаимодействуют уже существующие в нём и возникающие под воздействием внешнего напряжения особого рода дефекты кристаллической решётки. Впоследствии теория дислокаций получила широкое развитие и стала применяться для анализа самых разнообразных явлений в металлах и сплавах. При этом, если на первых этапах развития этой теории представления о дислокациях были чисто гипотетическими, то затем были получены прямые доказательства их существования, а в настоящее время используются разнообразные экспериментальные методы изучения дислокаций в металлах и сплавах[7].

Схема краевой дислокации показана на рисунке. Если в кристалле сделать надрез по плоскости АВСД и сдвинуть части кристалла вдоль плоскости надреза, перпендикулярно к краю надреза, что полученная граница АВ между участком, где скольжение уже произошло, и ненарушенным участком будет краевой дислокацией (рис.а). Представим себе, что в части кристалла по каким либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость. Вблизи края экстраплоскости решётка сильно искажена. В этом участке кристаллов против n атомов одного ряда располагается n+1 или n-1 атомов другого ряда. Выше края экстраплоскости (линия АВ) межатомные расстояния меньше параметра решётки, а ниже края – больше. Атом на самой кромке экстраплоскости имеет меньше соседей, чем внутри совершенной решётки. Таким образом, вдоль края экстраплоскости находится область с несовершенной решёткой, которая называется краевой дислокацией.

Рисунок 20 – Краевая дислокация

а – пространственная схема,

б – схема расположения атомов в области дислокации

Ядром или центром дислокации называют осевую зону дефектного участка кристалла, где очень сильны искажения решётки. Положение ядра дислокации в кристаллографической плоскости, являющейся плоскостью чертежа, обозначается знаком. Совокупность таких центров в параллельных атомных плоскостях образует линию дислокации.

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной, в нижней – отрицательной. Положение центра ядра отрицательной краевой дислокации обозначается знаком . Дислокация перемещается в плоскости АВ, называемой плоскостью скольжения.

Большое значение в теории прочности и пластичности металлов имеет характер искажений кристаллической решётки вокруг краевой дислокации. У положительной краевой дислокации наблюдается растяжение кристаллической решётки под плоскостью скольжения, выше плоскости – сжатие решётки.

У отрицательной дислокации наоборот.

Винтовая дислокация. Если надрезать кристалл по плоскости АВСД и сдвинуть по этой плоскости одну часть кристалла относительно другой параллельно краю надреза, то границей сдвига окажется винтовая дислокация АВ. Дефект решётки заключается в том, что одна её часть ( атомы изображены чёрными кружками) на некотором протяжении оказались сдвинутыми на один параметр решётки вниз по отношению к другой (белые кружки). Благодаря такому сдвигу части кристаллической решётки образовалась спиральная или винтовая поверхность. В отличие от линейной дислокации, лишней атомной плоскости у винтовой дислокации нет. Искажение кристаллической решётки заключается в том, что вблизи дислокации атомы меняют своих ближайших соседей, в результате чего плоскости решётки изгибаются. Характер искажений зависит от знака винтовой дислокации. Если искажения решётки направлены по часовой стрелке винтовая дислокация называется правой, если против часовой стрелке – левой[6].

Дислокации смешанной ориентации наиболее распространены в металлах и сплавах. Зона сдвига АВС ограничена линией дислокации АС. Плоскость чертежа является плоскостью скольжения, чёрные кружки обозначают атомы, расположенные под плоскостью скольжения, белые – над ней. Вблизи точки А дислокация имеет винтовую ориентацию, около точки В – краевую. Линия смешанной дислокации может оканчиваться на гранях кристалла, как это показано на рисунке, кроме того, возможно существование замкнутой петли внутри кристалла. Отдельные участки имеют чисто винтовую или краевую ориентацию, но, в основном, ориентация дислокаций смешанная.

Петля определяет границу зоны сдвига части кристалла (внутри петли) относительно области вне петли, не претерпевшей сдвиг.

Рисунок – дислокация смешанной ориентации.

Дислокации, находящиеся в кристаллической решётке зёрен и кристаллов, называют дислокациями решётки, или внутризеренными.

Геометрически дислокации характеризуются двумя параметрами: направлением линии дислокации и вектором Бюргерса (рис.3).

Рисунок 3 – схема определения вектора Бюргерса

а – схема плоскости реального кристалла,

б – решётка совершенного кристалла.

Вектор Бюргерса является мерой искаженности кристаллической решётки, обусловленной присутствием в ней дислокации. Он определяет энергию дислокации, действующие на дислокации силы, величину, связанного с дислокацией сдвига, влияет на подвижность дислокации. Следовательно вектор Бюргерса главная количественная характеристика дислокации.

Если дислокация вводится в кристалл чистым сдвигом – так как это было показано ранее на примере краевой, винтовой дислокации, то вектор сдвига и является вектором Бюргерса. Вектор сдвига определяет величину и направление смещения атомов в той области, где сдвиг уже произошел, т.е. определяет степень искаженности решётки, связанную с присутствием дислокации, введенной в кристалл путём сдвига. Однако дислокация не всегда называется сдвигом. Кроме того, не все типы дислокаций можно определять через вектор сдвига. Поэтому более общим является определение вектора Бюргерса не как сдвига, а как меры искаженности кристаллической решётки.

Чтобы оценить степень искаженности кристаллической решётки, вызванной дислокацией, следует сравнить несовершенный кристалл, содержащий дислокацию, с совершенным кристаллом. Для этого строят так называемый контур Бюргерса. Контуром Бюргерса называется замкнутый контур произвольной формы, построенный в реальном кристалле путём последовательного обхода дефекта от атома к атому в совершенной области кристалла.

При одинаковом количестве шагов в горизонтальном и вертикальном направлении в конце концов приходим к первоначальному атому, т.е. в идеальном кристалле контур Бюргерса замкнут. В кристалле, содержащем краевую положительную дислокацию, контур Бюргерса окажется незамкнутым. Остаётся ещё отрезок, длина и направление которого определяют вектор Бюргерса.

На рис.4 показано построение контура и вектора Бюргерса для винтовой дислокации. Контур Бюргерса можно, например, построить от исходной точки А (рис.4.а). Пройдём от неё влево девять межатомных расстояний до точки В, шесть до точки С и вправо девять до точки Д. Чтобы попасть на уровень исходной точки А, опустимся от точки Д по вертикали вниз до точки Е на одно межатомное расстояние и пройдём шесть межатомных расстояний от Е доА.

Рисунок 4 – Контур Бюргерса вокруг винтовой дислокации (а) и эквивалентный контур в совершенном кристалле (б)

Для проведения соответствующего контура к совершенном кристалле (рис 4.б) сделаем девять шагов от исходной точки Адо В, затем шесть до С, девять до Д, один шаг вниз по вертикали от Ддо Еи шесть шагов на горизонтальном уровне в сторону исходной точки. При этом мы попадём не в исходную точку А, а в точку F. Невязку контура ликвидируем, замыкая его вектором Бюргерса b (соединяя точки F и А). Этот вектор характеризует степень искаженности решётки, вызванной дислокацией в кристалле на рис.а. Весьма удобно, что искаженность решётки несовершенного кристалла выражается через период решётки идеального кристалла, т.е. через константу.

Дислокации, у которых вектор Бюргерса соответствует тождественной трансляции атома, называются полными или единичными. Векторы единичных дислокаций имеют в решётке различные направления. Энергия дислокаций будет минимальной в том случае, когда их векторы Бюргерса параллельны направлению плотнейшей упаковки атомов в кристаллической решётке. Частичными являются такие дислокации, вектор Бюргерса не соответствует тождественной трансляции атома. Векторы Бюргерса частичных дислокаций меньше, чем полных.

Вектор Бюргерса характеризуется рядом особенностей:

1. Нормален к лини краевой дислокации и параллелен к линии винтовой дислокации. Вдоль линии смешанной дислокации угол между ней и вектором Бюргерса в разных точках имеет разную величину и располагается под углом к линии дислокации АС.

2. У дефектов недислокационного типа равен нулю. Если построить контур Бюргерса вокруг любого точечного или линейного дефекта недислокационного типа (вокруг цепочки атомов или вакансий), то соответствующий контур в идеальном кристалле окажется замкнутым.

3. Одинаков вдоль всей линии дислокации, т.е. является инвариантом дислокации. Это следует, например, из того, что при смещении контура Бюргерса вдоль линии дислокации он всё равно будет оставаться эквивалентным исходному контуру (при условии, что он всеми своими точками не выходит из совершенной области решётки, т.е. не пересекает другие несовершенства). Кроме того, вектор сдвига, создающего, например, криволинейную смешанную дислокацию, имеет одну величину и одно направление для всего кристалла.

Из инвариантности вектора Бюргерса вытекает важное следствие: дислокация не может обрываться внутри кристалла. Внутри кристалла дислокации могут образовывать замкнутые петли с одинаковыми векторами Бюргерса вдоль всей петли или встречаться с другими дислокациями, образовывая узлы (точки встречи).

Выход дислокаций на поверхность шлифа металла проявляется в виде точки – углубления. Дислокации являются местами развития растущего кристалла. Эти же места активны при обратном процессе – растворении.

К параметрам, характеризующим свойства дислокации относятся её длина и ширина. Длина дислокации – это протяженность зоны искажения кристаллической решётки. В чистых ГЦК металлах устойчивая дислокация при напряжениях, сравнимых с пределом текучести, может иметь длину 10-3 – 10-4 см. Под шириной краевой дислокации следует понимать ширину области на плоскости скольжения, где величина межатомных смещений составляет не менее 1/8 максимального значения атомного смещения в центре дислокации, равного примерно 1/4а. Ширина дислокации определяет её энергию, подвижность, уровень напряжений, при которых дислокация может двигаться вдоль плоскости скольжения[4].

Изменение плотности дислокации при облучение мощным ионным пучком мы можем наблюдать в рентгенографическом исследовании изменений в приповерхностных слоях лопаток турбин.

С помощью РГА было установлено, что облучение высоколегированной стали ЭП517-Ш МИП приводит к распаду мартенсита и формированию обезуглероженного феррита. Облучение МИП приводит к увеличению значений плотности дислокаций, свидетельствующему о высокой степени пластической деформации при облучении[5].

Заключение

Хотя гипотеза о кристаллических дислокациях впервые появилась 30 лет назад, важность этой ситуации была достигнута только за последние 15 лет. Теперь ясно, что понимание поведения дислокаций имеет решающее значение для изучения всех аспектов кристаллического материала. Несмотря на то, что многие аспекты идей, связанных с дислокациями, все еще находятся в стадии разработки, модели дислокаций, основанные на теоретическом анализе и экспериментальных наблюдениях, создали основу для многих новых теорий и гипотез, которые в настоящее время предлагаются. Некоторые проблемы теории дислокаций все еще требуют решения, но ее основные положения вряд ли будут отклонены или претерпят существенные изменения в будущем, особенно это касается вводных структур.

Используемая литература

1. Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А., Якушин В.Л. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов Учебник. Под ред. Б.А. Калина. М.: Круглый год, 2001. 528 с. 
2. Инденбом В.Л., Орлов А.Н., Физическая теория пластичности и прочности, "Успехи физических наук", 1962, т.76, с.557.
3. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. / Пер. с англ.; Под ред.А. А. Гусева. - М.: Наука, 1978.
4. Котрелл А., Теория дислокаций. / Пер. с англ., М., 1969
5. Панова Т.В., Ковивчак В.С., Жуков Д.В, Блинов В.И. Рентгенографическое исследование изменений в приповерхностных слоях лопаток турбин при облучении мощным ионным пучком, Вестник Омского университета, 2005. № 2. С. 21-23.
6. Поут Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками Дж.М. Издательство: Машиностроение Год: 1987
7. . Халл. Д Введение в дислокации. / Пер. с англ.; Под ред.В.Н. Быкова. - Атомиздат, 1968, 280 стр.