ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.07.2024
Просмотров: 95
Скачиваний: 0
(при сравнении с |
большинством металлов) . В алмазе — |
||
в самом |
прочном |
материале — энергия образования |
ва |
кансии |
примерно |
в четыре раза больше, а энергия |
ак |
тивации перемещения вакансии вдвое больше, чем в ме таллах . По этим причинам алмаз принадлежит к числу
тех |
материалов, |
в которых радиационные |
нарушения- |
|
оказываются наиболее стойкими и с трудом |
отжигают |
|||
ся. В других ковалентных материалах, таких |
как |
крем |
||
ний |
и германий, |
энергия образования вакансий |
также- |
|
существенно выше, чем в металлах. Таким образом, мы видим, что образование и существование простейшихточечных дефектов зависит от типа кристаллической ре шетки. Наиболее легко дефекты образуются и мигриру ют в решетке с металлическим типом связей.
Рассмотрев коротко природу одиночных точечных де фектов, перейдем к рассмотрению их скоплений, посколь ку именно в скоплениях они могут существовать д л и тельное время и со скоплениями дефектов большей частью связаны те изменения свойств, которые мы наб
людаем в облученных материалах. М е ж д у |
однотипны |
ми и разнотипными дефектами действуют |
как далы-ю- |
действующие, так и короткодействующие силы, приво
дящие дефекты |
в |
направленное |
движение |
(движение |
|||||||||||
ж е |
само |
по |
себе |
обеспечивается |
|
тепловыми |
активация |
||||||||
ми |
в решетке, |
находящейся |
при |
|
той или иной |
темпера |
|||||||||
туре) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выше |
мы |
уже |
рассмотрели |
|
простейшее скопление- |
|||||||||
д е ф е к т о в — пару |
вакансий |
по |
Шоттки. Могут |
образо |
|||||||||||
вываться пары связанных межузельных атомов |
или |
п а |
|||||||||||||
ры |
нейтральных |
вакансий, |
|
или |
дивакансии. |
Энергия' |
|||||||||
связи дивакансии в металлах составляет примерно 0,5 |
эв, |
||||||||||||||
а энергия |
|
их |
образования |
~0,3 |
эв. |
К а к |
видим, |
ва |
|||||||
кансиям |
выгоднее |
существовать, |
объединяясь |
в дива |
|||||||||||
кансии, а не быть самостоятельными. К тому |
ж е и энер |
||||||||||||||
гия |
активации |
|
перемещения |
дивакансии |
существенно' |
||||||||||
меньше, чем энергия активации перемещения |
вакансий |
||||||||||||||
(соответственно |
~ 0 , 6 эв |
и ~ |
|
1 |
эв). |
|
|
|
|
||||||
|
Процесс |
объединения |
вакансий может идти |
дальше- |
|||||||||||
с образованием |
|
комплексов |
|
из |
трех, |
четырех, |
пяти и |
||||||||
т. д. вакансий. Теоретические |
расчеты |
показывают, |
что |
||||||||||||
тривакансия в металлах является некоторой переломной
точкой. |
После нее присоединение дополнительных в а |
кансий |
уже стабилизирует конфигурацию и у м е н ь ш а е т |
ее подвижность. Большую роль при росте числа |
вакан |
||||
сий в комплексе начинает играть объемная |
конфигура |
||||
ция скопления. Так, в |
|||||
меди |
была |
найдена |
|||
устойчивая |
конфигура |
||||
ция из четырех вакан |
|||||
сий |
в форме |
тетраэдра |
|||
с |
атомом |
в центре, |
|||
(рис. |
6). |
|
|
|
|
|
Энергия связи |
такой |
|||
конфигурации |
оказа |
||||
лась |
равной 0,54-2,8 |
эв, |
|||
а |
энергия |
активации |
|||
движения — уже |
|
по |
|||
рядка |
2 эв. Таким |
обра |
|||
зом, |
объединившись |
в |
|||
|
|
конфигурации |
из |
четы |
||
'Рис. 6. Устойчивая |
конфигурация че |
рех дефектов, |
вакансии |
|||
становятся |
малопод |
|||||
тырех вакансий в решетке меди в форме |
||||||
тетраэдра с атомом в |
центре (гранецен- |
вижными . |
|
|
||
трированная кубическая решетка). |
Что |
касается |
внед |
|||
|
|
ренных |
атомов, то |
про |
||
стейшей формой их объединения является так называе мый кроудион — выстраивание лишних атомов вдоль •направления плотной упаковки атомов. Частным случаем кроудиона является гантельная конфигурация атомов,
когда одно место в решетке занимается двумя |
атомами |
|||||||||
одновременно, |
естественно, |
с |
некоторым |
потесыением |
||||||
соседей вдоль плотной упаковки атомов. Гантельная |
кон |
|||||||||
фигурация внедренных атомов показана на рис. 7. |
|
|||||||||
Как уже |
указывалось, |
в |
конечном итоге |
межузель- |
||||||
•иые |
атомы, |
если их |
объединению ничего |
не |
мешает, |
|||||
•стремятся образовать |
плоские |
скопления в |
виде |
лиш |
||||||
них |
атомных |
плоскостей |
в |
кристаллической |
решетке. |
|||||
Наиболее подходящим местом для вклинивания |
этих |
|||||||||
•плоскостей в решетку являются места между |
плотно- |
|||||||||
упакованными |
плоскостями, |
т. е. плоскостями, |
обладаю |
|||||||
щими наибольшей ретикулярной плотностью. Такие плоскости имеются в любой кристаллической решетке. Расстояния между такими плоскостями, измеренные по
нормам к |
ним, являются наибольшими в решетке. Имен |
||
но |
в этих |
местах |
удобно размещаются плоские скопле |
ния |
внедренных |
атомов. С такими местами связана ми- |
|
нимальная энергия образования скоплений. Таким обра зом, внедренные атомы стремятся образовать дополни тельные плотноупакованные атомные плоскости. По краям таких плоскостей возникают дислокации.
Р и с . 7. |
Гантельная |
конфигурация |
смещенных ато |
мов в гранецентрированион кубической решетке. |
|||
Подобным |
же путем |
могут объединяться вакансии. |
|
Однако естественным результатом |
объединения вакан |
||
сий будет у ж е |
не создание участка |
новой плоскости, а, |
|
наоборот, уничтожение части ранее |
существовавшей пло |
||
скости. Оба типа скоплений |
показаны на рис. |
8. Плос |
|
кие скопления такого типа |
могут |
объединять |
сотни и |
тысячи точечных дефектов. Они представляют собой де фекты упаковки с кольцевыми дислокациями вокруг них.
а
Р и с . 8. Скопление внедренных атомов (а) и вакансий (б).
Однако вернемся к объемным конфигурациям дефек тов. Наименьшей энергией обладают скопления в а к а н сий в форме сферического пузырька. По мере роста пу
зырька он постепенно принимает дискообразную |
форму,, |
||
а затем |
может вообще захлопнуться опять ж е |
с обра |
|
зованием |
дислокационной |
петли. |
|
Отметим одну важную |
особенность образующихся |
||
при объединении внедренных атомов и вакансий дисло кационных петель, которая приобретает существенную роль при деформации решетки. Движение одиночной частичной дислокации приводит к удалению дефекта упаковки, представляющему собой вакансионную петлю,, тогда как для восстановления петли из внедренных ато мов требуются две частичные дислокации. Если в крис таллах отсутствует достаточная энергия для з а р о ж д е ния двух частичных дислокаций, необходимых для вос становления петли на скоплении внедренных атомов, то,
возможно, будут устранены |
вакансионные |
петли, |
петли |
|||||
из внедренных атомов останутся нетронутыми |
или толь |
|||||||
ко уменьшатся в количестве. |
К |
вопросу |
о |
дислока |
||||
циях мы вернемся еще позже. |
|
|
|
|
|
|
||
Существуют два пути образования скоплений дефек |
||||||||
тов. Первый путь заключается в постепенном |
объедине |
|||||||
нии однотипных дефектов и образовании скоплений |
в |
|||||||
неповрежденной до этого области решетки. Такой |
путь |
|||||||
называется гомогенным зарождением |
скопления. |
Не |
||||||
большие скопления дефектов остаются подвижными, |
но |
|||||||
после встречи с себе подобными |
закрепляются |
и с л у ж а т |
||||||
в дальнейшем центрами конденсации других |
дефектов |
|||||||
этого |
типа. |
|
|
|
|
|
|
|
Второй путь заключается в гетерогенном |
зарожде |
|||||||
нии скоплений. При этом конденсация |
дефектов проис |
|||||||
ходит |
на уже имеющихся в |
кристалле |
несовершенствах |
|||||
кристаллической решетки. Такими местами могут слу
жить скопления |
примесных |
атомов, |
границы |
з е р е н ' и |
дислокации. |
|
|
|
|
Второй путь |
более реален |
и чаще |
встречается |
по той |
простой причине, что не существует идеальных кристал лических структур и реальная структура кристаллов изобилует различными несовершенствами строения и примесными атомами. Поэтому результат облучения можно успешно осмыслить, если проанализировать, ис ходя из реальной структуры твердого тела, влияние не-
совершенств в |
кристаллах |
на зарождение |
скоплений |
||
внедренных атомов и вакансий. |
|
|
|
||
Примесные |
атомы в кристаллах |
служат |
центрами |
||
притяжения для внедренных |
атомов |
и вакансий, |
обра |
||
зующихся при |
облучении. |
Дислокации служат |
т а к ж е |
||
•стоками для дефектов, только гораздо более мощными, чем примесные атомы. .Механизм оседания радиационных дефектов на дислокациях зависит в первую очередь от типа дислокации. В случаях краевой и винтовой дисло
каций |
эти механизмы резко |
отличаются. |
|
|
|||
В разделе, посвященном дислокациям, эти вопросы |
|||||||
рассматриваются более подробно. Отметим здесь |
толь |
||||||
ко, что в окрестностях краевых дислокаций |
имеются |
||||||
растянутые |
области |
(в- направлении |
оборванного |
края |
|||
экстраплоскости). Именно в эти места стремятся |
пере |
||||||
меститься внедренные атомы. Здесь они могут |
образо |
||||||
вывать целые |
атмосферы (атмосферы |
Коттрелла), |
кото |
||||
рые |
препятствуют |
перемещению дислокаций |
или, в |
||||
случае медленного движения |
дислокации, перемещают |
||||||
ся за |
ней как хвост. |
|
|
|
|
|
|
В |
случае ж е винтовой 'дислокации, |
которая |
не |
обла |
|||
дает полем растягивающих напряжений, притяжение внедренных атомов не имеет место, по вакансии могут притягиваться в связи с тем, что в районе винтовой дис локации существуют немалые напряжения, а вакансии способны уменьшать энергию поля напряжений. По скольку вакансии притягиваются к дислокациям обоего типа, а внедренные атомы только к краевым дислока циям, последние имеют больше возможностей к гомо генному образованию скоплений дефектов.
Однако чаще всего увеличенная концентрация де фектов вблизи дислокаций приводит к предпочтитель ному зарождению скопления именно в районе дислока ций.
Радиационные дефекты могут поглощаться ступень ками на дислокациях. На рис. 9 показана ступенька на дислокации, которая может двигаться вправо или вле во в зависимости от того присоединится к ней вакансия или внедренный атом.
Таким образом, дислокации могут играть' двоякую роль в кристалле. С одной стороны, являясь мощными центрами притяжения д л я точечных дефектов, они способ ствуют зарождению скоплений дефектов. Вместе с тем
|
|
|
|
|
|
|
они ж е при своем движе |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
нии, |
или |
просто выступая |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
стоком для точечных де |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
фектов, |
уменьшают |
число' |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
точечных |
дефектов, |
спо |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
собных |
к |
объединению |
в |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
скопления. Например, |
эк |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
страплоскость |
в |
краевой |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
дислокации |
может |
интен |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
сивно поглощать внедрен |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ные |
атомы, |
увеличиваясь |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
в |
длине, |
или |
поглощать |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
вакансии, |
наоборот, |
сок |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
р а щ а я с ь |
в |
длине. |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Центром |
зарождения |
|||||||||
Р и с . |
9. Перемещение |
ступеньки на |
скопления |
дефектов |
мо |
|||||||||||||
гут |
служить |
т а к ж е |
пики |
|||||||||||||||
дислокации, в |
зависимости от того, |
|||||||||||||||||
смещений, |
|
возникающие |
||||||||||||||||
присоединяется |
«пі к пей |
вакансия |
|
|||||||||||||||
|
или внедренный |
атом. |
|
|
во время облучения |
мате |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
риала |
|
нейтронами. |
При |
||||||||
плотности потока |
нейтронов- |
2 |
jQia |
нейтрон |
за |
неделю |
||||||||||||
в меди образуется |
примерно |
101 6 |
|
|
см'сек, |
внедрен |
||||||||||||
|
скоплений |
|||||||||||||||||
ных |
атомов |
и |
несколько |
меньше |
скоплений |
вакан |
||||||||||||
сий. Причем |
расчеты |
показывают, |
что |
скопления |
вне |
|||||||||||||
дренных атомов |
содержат |
около |
100 |
дефектов, |
а |
скоп |
||||||||||||
ления вакансий — до 200. |
Если |
|
облучение |
проводится |
||||||||||||||
длительное |
время, то |
скорость |
образования |
скоплений |
||||||||||||||
может уменьшиться |
в |
связи |
с тем, |
что |
возникнет |
пере |
||||||||||||
крытие областей |
повреждений, |
и ранее |
образовавшиеся |
|||||||||||||||
скопления будут притягивать и поглощать вновь возник шие зародыши скоплений.
В заключение отметим, что механические свойства облученных материалов, в основном, зависят от взаимо действия неподвижных скоплений дефектов со скользя щими дислокациями. Маловероятно, чтобы скользящие дислокации могли образовываться как результат объе
динения |
радиационных |
дефектов |
или |
непосредственно |
|
во время |
облучения, поэтому наиболее естественно ожи |
||||
дать, |
что |
в результате |
облучения |
существенно увели |
|
чится |
напряжение, необходимое д л я |
начала пластичес |
|||
кой деформации материала. Опыт подтвердил этот вы вод.
