В данной работе рассматривается явление блокировки дислокаций в монокристаллах магния в отсутствие внешних напряжений и механизмы, обусловливающие это явление, которое можно ограничить рамками более широкой фундаментальной проблемы термоактивированных переходов дислокаций между долинами в кристаллах с высоким напряжением Пайерлса. Блокировка движения дислокаций может служить причиной аномальной температурной зависимости предела текучести, а также других деформационных характеристик. Расширение круга материалов, демонстрирующих принципиальную возможность движения сегментов дислокационных петель без приложенных напряжений, переход от интерметаллидов [1–4, 7–11] к металлам [5, 6], позволяет понять природу сложных явлений, уточнить, усовершенствовать и расширить концепцию автоблокировки.

Магний и его сплавы используются в качестве накопителей водорода. Водородная энергетика получила международное признание как одно из ведущих перспективных направлений развития глобальной энергетики в XXI веке. Магний может связывать большое количество водорода (в расчете на единицу массы) – 7,6 %. Автоблокировка дислокаций в магнии открывает перспективы развития направленной сорбционной емкости магния. Плоские сидячие дислокационные конфигурации, вытянутые вдоль выделенных направлений, образуемые в результате блокировки дислокаций, могут являться направленными каналами, в которых обратимое накопление водорода идет вдоль этих направлений. Это может послужить основой для нанотранспортирования водорода.

Целью исследования явилось наблюдение сидячих дислокационных конфигураций в результате нагрева без нагрузки а-монокристаллов магния, нахождение кристаллогеометрических конфигураций указанных дислокационных барьеров. Выявление аналогий между кубическим скольжением в интерметаллидах типа Ni3Al и пирамидальным скольжением в гексагональном магнии.

Материалы и методы исследования

Материалом для исследования явились монокристаллы магния Mg с ориентировкой . Монокристаллы выращивались по методу Бриджмена.

Деформацию образцов осуществляли сжатием на величину 0,5–1 % со скоростью порядка 0,5 мм/мин при Т = 150–170 °С. Отжиг проводился при различных температурах. После предварительной деформации и отжига образцы охлаждались на воздухе, в воде либо с печью до комнатной температуры.

Дислокационную структуру сплавов изучали методами электронной просвечивающей микроскопии на микроскопе JEM 200CX и Philips СМ-30 при ускоряющем напряжении U = 200 и 300 кВ соответственно. Определение векторов Бюргерса проводилось методом gb-анализа, направлений линий дислокаций – методом следового анализа.

Фольги для электронной микроскопии вырезались параллельно плоскости базиса. Электролитическая полировка производилась в растворе 3 % HClO4 в этиловом спирте.

Результаты исследования и их обсуждение

Исходная дислокационная структура состояла из криволинейных дислокаций. На рис. 1 представлен фрагмент дислокационной структуры в плоскости базиса (0001). В отсутствие напряжений плоские источники Франка‒Рида не работают, поэтому при отжиге без нагрузки превращения претерпевают исходные дислокации, полученные в результате предварительной пластической деформации.

Рис. 1. Исходная дислокационная структура монокристаллов магния

После деформации монокристаллов магния на 1 % при 170 °С и последующего медленного охлаждения произошло радикальное изменение дислокационной структуры (рис. 2).

Рис. 2 Дислокационная структура <> монокристаллов Mg после деформации при 170 °С и медленного охлаждения: а, б, в– прямолинейные дислокации; г – дислокационные петли, выстроенные вдоль направления

На рис. 2, а показаны дислокации в плоскости базиса, расположенные друг относительно друга под углом 60°. На рис. 2, б несколько прямолинейных дислокаций в плоскости базиса пересекаются под углом 60°. На рис. 2, в прямолинейные дислокации пересекаются по трем направлениям, образуя правильный треугольник. На рис. 2, г удалось зафиксировать дислокационные петли, выстраивающиеся вдоль тех же направлений, что и прямолинейные дислокации.

Для определения вектора Бюргерса вытянутых заблокированных дислокаций проведен gb-анализ, в результате которого установлено, что дислокации, претерпевающие автоблокировку, являются краевыми с вектором Бюргерса (c + a). На рис. 3,а приводятся светлопольные изображения прямолинейных дислокационных сегментов; на рис. 3,б, в – темнопольные изображения в рефлексах и , соответствующих погасаниям дислокаций с вектором Бюргерса .

В результате следового анализа по трем проекциям сечений обратной решетки выявлено, что выделенным направлением является направление линии пересечения плоскостей базиса и пирамиды второго рода. Таким образом, автоблокировке подвергаются краевые сегменты (с + а)-дислокаций.

а

Рис. 3. Прямолинейные краевые дислокации (c + a): а – светлопольное изображение; б, в – т.п. в рефлексах и соответственно

Выстроенные вдоль выделенных кристаллографических направлений дислокации являются барьерами, то есть сидячими дислокационными конфигурациями (в отличие от скользящих). Это связано с тем, что если бы прямолинейная дислокация не была заблокирована, то даже в отсутствие приложенного напряжения под действием термических флуктуаций на дислокации образовывались бы кинки, и она теряла бы свою прямолинейную форму, но этого экспериментально не наблюдалось. Поэтому наблюдаемые методом просвечивающей электронной микроскопии прямолинейные дислокации являются барьерами, заблокированы и представляют собой сидячие конфигурации.

Барьеры, наблюдаемые в интерметаллидах типа Ni3Al, сходны с барьерами, наблюдаемыми в магнии. Мало того, оказалось, что по своей сущности эти два вида скольжения – кубическое в интереметаллидах и пирамидальное в магнии – близки.

В обоих случаях плоскости скольжения не являются плоскостями плотной упаковки. Испускание частичной дислокации с образованием дефекта упаковки (ДУ) приводит к выигрышу энергии ΔEspl. В результате возникает низкоэнергетическая расщепленная конфигурация, принадлежащая пересекающимся плоскостям (исходной и плоскости плотной упаковки). Такие конфигурации для кубического и пирамидального скольжения изображены на рис. 4, а и б соответственно. Для кубического скольжения это различные формы барьера Кира‒Вильсдорфа, содержащие полосы комплексного ДУ, для пирамидального скольжения – плоская конфигурация, для которой вершинная с-дислокация связана полосами ДУ с частичными.

Рис. 4. Дислокационные барьеры: а – барьеры Кира‒Вильсдорфа в интерметаллидах типа Ni3Al; б – барьеры в магнии

Заключение

Анализируя полученные экспериментальные данные, можно заключить, что после предварительной деформации монокристаллов магния на 0,5–1 % при Т = 150–170 °С и последующего медленного охлаждения образуются сидячие дислокационные конфигурации сегментов краевых (с + а)-дислокаций, расщепленных в плоскости базиса (0001). Это изменение дислокационной структуры позволяет получить выделенные каналы транспортировки водорода в магнии.

Рецензенты:

Пушин В.Г., д.ф.-м.н., профессор, зав. лаб. цветных сплавов ИФМ УрО РАН, руководитель отдела электронной микроскопии УрО РАН, г. Екатеринбург;

Степанова Н.Н., д.ф.-м.н., профессор, старший научный сотрудник лаборатории прецизионных сплавов и интерметаллидов ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург.

Работа поступила в редакцию 16.12.2013.