Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf

будет контур A'B'C'D'. Однако в отличие от контура ABCD контур A'B'C'D' окажется незамкнутым, так как линия DA ко­ роче D'A' на одно межатомное расстояние. Вектор Ь, прове­ денный из точки Е' в точку А' и замыкающий контур, является сектором Бюргерса. Разомкнутость контура A'B'C'D'E' в со­ вершенном кристалле обусловлена тем, что в кристалле с дис-

в верхней половине кристалла, на один атом больше, чем на стороне DA.

Вокруг дислокации атомы в совершенной области, где про­ ходит контур Бюргерса ABCD, несколько смещены по сравне­ нию с расположением их в совершенном кристалле без дисло­ кации. Сумма всех упругих смещений, накопившихся при обходе по контуру Бюргерса ABCD, проявляется в величине вектора, замыкающего контур в совершенном кристалле. Величина век­ тора Бюргерса не зависит от того, насколько контур Бюргерса удален от дислокации. Чем дальше от дислокации контур, тем меньше упругие смещения атомов в совершенной области, но тем длиннее контур, и сумма всех упругих смещений, накопив­ шихся при его обходе, остается неизменной. На рис. 3.13 пока­ зано построение контура и вектора Бюргерса для винтовой дислокации. Направление вектора Бюргерса зависит от на­ правления обхода контура Бюргерса, которое в принципе про­ извольно. Следовательно, в понятии вектора Бюргерса содер­ жится неопределенность. Сущность этой неопределенности сводится к тому, что пробег краевой дислокации через весь кристалл вызывает сдвиг верхней части кристалла влево отно­ сительно нижней или, что то же самое, сдвиг нижней части

кристалла вправо относительно верхней. Вектор Бюргерса нор­ мален к линии краевой дислокации и параллелен линии винто­ вой дислокации. Для смешанной дислокации угол между ее линией и вектором Бюргерса в разных точках имеет различ­ ную величину. Вектор Бюргерса у точечных дефектов равен нулю. Если построить контур Бюргерса вокруг любого точечно-

-Д

Рис. 3.13. Контур Бюргерса вокруг винтовой дислока­

ную роль в процессах деформации имеют так называемые ча­ стичные дислокации. В качестве примера рассмотрим наиболее изученную частичную дислокацию в г. ц. к. решетке. Различие между плотноупакованными г. ц. к. и гекс. п.у. решетками свя­ зано с порядком укладки плотноупакованных слоев. Если цен­ тры атомов последующих плотноупакованных слоев занимают позиции АВСАВСАВС, образуется г. ц. к. решетка, при чередо­ вании АВАВАВ или АСАСАС формируется гекс. п.у. решетка. Нарушение правильности чередования плотноупакованных

42 Г л . 3. Свойства реакторных материалов

атомных слоев может носить характер двойникования или ха­ рактер дефектов упаковки.

В случае эффекта двойникования в г. ц. к. решетке последо­ вательность чередования плотноупакованных слоев имеет вид

АВСАСВА.

Я

Я

Рис. 3.14. Схема расположения плотных слоев атомных плоскостей (111) в г. ц. к. решетке:

а — двойниковая укладка; б — дефект упаковки.

На рис. 3.14, а показано отвечающее этому случаю распо­ ложение атомов в плотноупакованной плоскости (111).

В случае образования дефекта упаковки последователь­ ность чередования слоев может быть, например, такой: АВСАСАВС. Дефект представляет собой как бы тонкий двух­ атомный слой гексагональной решетки в гранецентрированиой решетке (рис. 3.14, б). Представим скольжение плотноупакованного слоя с атомами, находящимися в положении В, отно­ сительно слоя с атомами, находящимися в положении А. Пере­ ход атома с центром в положении В на место соседнего с ним и лежащего в той же плоскости не нарушил бы расположения атомов в решетке. Сдвинутая часть решетки совместилась бы сама с собой, что имеет место в тождественной трансляции. Однако такое перемещение атомов энергетически невыгодно. Если атомы рассматривать как шары, то атомам с центром в положении В легче переместиться в положение С. Напомним, что положения В и С находятся в пустотах, образованных пер­ вым плотноупакованным слоем с атомами в положении А. Скольжение из В в С дает дислокацию. При этом решетка не транслируется в исходное положение, т. е. позиции, занимае­ мые атомами, не совпадают с позициями до сдвига. Такая

дислокация называется частичной. Она является границей де­ фекта упаковки. Исправление последствий образования тако­ го дефекта упаковки может быть осуществлено сдвигом атомов дефектного слоя снова в позицию В. Это дает вторую частич­ ную дислокацию, ограничивающую дефект упаковки с другой стороны.

Комплекс, состоящий из двух частичных дислокаций, свя­ занных между собой дефектом упаковки, называют диссоции­ рованной, расщепленной (или растянутой) дислокацией. В ре­ зультате такого двойного сдвига ß-»-C и С ^ В изменения ре­ шетки не произойдет. В этом случае вместо скольжения В-^В реализуется зигзагообразное скольжение В-^-С-^В с тем же конечным результатом. Суммарная энергия двух частичных дислокаций меньше энергии одной полной. Частичные дисло­ кации должны отталкиваться одна от другой. Однако в этом случае будет возрастать ширина дефекта упаковки, лежащего между ними и обладающего повышенной энергией по сравне-

.нию с бездефектной решеткой. Энергия дефектов упаковки для аустенитных нержавеющих сталей составляет 13—50 эрг!см.2. Ширима дефекта (расстояние между частичными дислокация­ ми) для того же материала ~ 50 межатомных расстояний. Ле­ гирование, как правило, понижает энергию дефектов упаковки и увеличивает их концентрацию и ширину.

Влияние кристаллической структуры на движение дислока­ ций. Энергия дефектов упаковки и их ширина играют чрезвы­ чайно важную роль в движении и взаимодействии дислокаций с препятствиями. Так как движение краевых дислокаций осу­ ществляется в основном скольжением в плоскости скольжения, эти дислокации с трудом преодолевают препятствия в виде ча­ стиц второй фазы, границ зерен с большим углом разориентировки и т. д. У препятствия образуется скопление дислокаций одного знака, расположенных в одной плоскости скольжения и подпираемых внешним действующим напряжением.

Полная винтовая дислокация может обойти это препятст­ вие поперечным скольжением. После этого дислокация может попасть в другую плоскость скольжения, параллельную исход­ ной. Энергия активации поперечного скольжения резко возра­

винтовой дислокации представлен на рис. 3.15. Для поперечно­ го скольжения расщепленной винтовой дислокации необходи-

мо, чтобы две частичные дислокации, возникшие из винтовой, временно объединились, хотя бы на небольшом участке.

Вблизи дислокации может существовать локальное измене­ ние концентрации атомов легирующего или примесного элемен­ та. Наличие дислокации связано с искажением кристалличе­ ской решетки и наличием упругих напряжений. Локальные на-

Рис. 3.15. Поперечное скольжение расщепленной винтовой дис­ локации. Дислокация в основной (а) и в поперечной (6) пло­ скостях скольжения. Цифрами обозначены последовательные положения дислокации.

пряжения имеют место и вокруг примесного атома. Знак на­ пряжения вокруг атома примеси зависит от соотношения ра­ диусов вещества основы Ro и примеси R\. В твердых растворах замещения при R\>-Ro около атома легирующего элемента (примеси) возникают напряжения радиального сжатия, при R]<.Ro— напряжения растяжения. В твердых растворах внед­ рения всегда возникает радиальное напряжение сжатия. При анизотропии упругого взаимодействия решетки растворителя с примесными атомами возникают также касательные компо­ ненты поля напряжений вокруг этих атомов. При взаимодейст­ вии последних с винтовыми дислокациями роль этих компо­ нентов особенно существенна. Взаимодействие примесных ато­ мов с винтовыми дислокациями, обусловленное нормальными компонентами поля напряжений, слабее, чем с краевыми-, по­ скольку в поле винтовых дислокаций нормальное напряжение отсутствует. Взаимодействие атомов примесей с дислокациями вызвано стремлением системы к уменьшению свободной энер­ гии и направлено в сторону уменьшения упругих напряжений. Атом примеси, создающий напряжение сжатия, будет стре­ миться в растянутую область, атом примеси, создающий на­ пряжение растяжения, — в сжатую.

В результате описанных процессов атомы примеси распре­ деляются в металле неравномерно, как правило, группируясь вблизи дислокаций. Группировки атомов примеси вокруг дис­

локации вследствие наличия упругих напряжений в кристалле называют атмосферами Коттрелла. При равновесном распре­ делении примеси ее концентрация максимальна на линии дис­ локации и убывает с удалением от нее. Устойчивое «облако» атомов примеси сохраняется на расстоянии примерно трех межатомных расстояний от линии дислокации. Далее оно рассасывается за счет теплового движения атомов, энергия ко­ торого на таком расстоянии становится соизмеримой с энергией взаимодействия атома примеси с дислокацией. Чем сильнее тепловое движение, т. е. чем выше температура для данной си­ стемы, тем меньше концентрация атомов примеси в «облаке».

Атмосфера из примесей служит для дислокации как бы яко­ рем и закрепляет ее. Под действием приложенных напряжений цислокация, перемещаясь, должна или «оторваться» от этого якоря, или «тащить его за собой». В первом случае над дисло­ кацией на очень коротком участке (порядка одного вектора Бюргерса) должна быть произведена работа со стороны при­ ложенного напряжения, равная общей энергии связей всех атомов примесной атмосферы. Это требует довольно высоких напряжений. Во втором случае движение дислокаций будет, естественно, очень медленным.

При наличии расщепленных дислокаций может иметь место химическое взаимодействие примесных атомов с дефектами упаковки этих дислокаций (атмосферы Сузуки). Кроме раз­ личия в валентности, существенную роль в образовании атмо­ сфер Сузуки может играть тип решетки. Дефект упаковки, на­ пример, в г. ц. к. решетке представляет собой двухатомный слой с гексагональной упаковкой. Атомы примеси, собственная ре­ шетка которых является гексагональной, будут за счет хими­ ческого взаимодействия предпочтительней располагаться в де­ фектах упаковки, даже если отношение (/?і—Ro)/Ro невелико.

Атмосферы Сузуки отличаются от атмосфер Коттрелла ря­ дом характерных особенностей. Поскольку дефекты упаковки имеют сравнительно большую площадь, для насыщения атмо­ сфер Сузуки требуется значительно большая концентрация примесных атомов, чем для насыщения атмосфер Коттрелла. Эффект торможения дислокаций за счет атмосфер Сузуки очень велик при введении тысячных и сотых долей атомного процента примеси и далее от концентрации не зависит. Еще один отличный от рассмотренных тип блокировки (торможе­ ния) дислокаций связан с тетрагональными искажениями ре­ шетки, имеющими определенную ориентацию. В поле каса­ тельных напряжений, обусловленных наличием дислокаций, эти тетрагональные искажения ориентируются так, чтобы энергия взаимодействия дислокаций с растворенными атомами была минимальной. Это приводит к дополнительной энергии связи, а