Дефекты кристаллического строения

Строение кристаллов отличается от идеальных, рассмотренных выше. В реальных кристаллах всегда имеются дефекты. В зависимости от размеров дефекты кристаллического строения подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Точечные дефекты по размерам близки к межатомным расстояниям. К ним относятся вакансии, межузельный атом, примесный атом (рисунок 6).

Вакансии – свободные места в узлах кристаллической решетки (рисунок 6,а). Межузельные атомы – собственные атомы, вышедшие из узлов кристаллической решетки и расположенные между узлами (рисунок 6,б). Примесные атомы – чужеродные атомы, занимающие в узлах кристаллической решетке места основных атомов или расположенные между узлами решетки (рисунок 6,в).

Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше 0⁰К из-за тепловых колебаний атомов. С повышением температуры концентрация вакансий растет. В меди, например, при температуре ~ 20^оС содержится 10^-13% атомных вакансий, а вблизи точки плавления уже 0,01%. Пересыщение точечными дефектами достигается резким охлаждением после высокотемпературного нагрева, а также при деформации, или облучении кристалла нейтронами.

 

Вакансии – важная разновидность точечных дефектов: они ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов (диффузия, спекание порошков).

Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку, приводят к появлению напряжений, и влияют на электрофизические свойства, повышая, например, в технически чистых металлах удельное электрическое сопротивление. На механические свойства точечные дефекты почти не влияют.

Линейные дефекты имеют большие размеры в одном направлении и малые в двух других. К ним относятся дислокации, которые бывают краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет в сечении нижний край лишней полуплоскости АВ в кристаллической решетке, которую называют экстраплоскостью (рисунок 7,а). На схеме лишняя полуплоскость направлена перпендикулярно плоскости рисунка. Краевая дислокация представляет собой линию атомов нижней границы экстраплоскости. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию обозначают знаком <<>> (положительная дислокация), а если в нижней – знаком <<>> (отрицательная дислокация). Возникают дислокации при кристаллизации, при механических воздействиях.

Вокруг дислокаций кристаллическая решетка упруго искажена. Мерой искажения служит вектор Бюргерса, СК, (рисунок 7,б), который необходим для замыкания контура, построенного вокруг дислокации. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен линии дислокации. Полные дислокации легко перемещаются под действием напряжений, в отличие от частичных, например, винтовых, у которых вектор Бюргерса меньше межатомного расстояния. В кристалле дислокации могут иметь разные знаки. Дислокации одного знака, расположенные в одной плоскости, отталкиваются друг от друга, а противоположных знаков – притягиваются. На рисунке 7,в показана винтовая дислокация АВ, возникающая при сдвиге одной части кристалла относительно другой под действием сил P. Она параллельна действующим силам P и

смещается к задней стенке кристалла.

Количественной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокации р – суммарная длина всех линий дислокаций ΣL, приходящихся на единицу объема V: , и имеет размерность м^-2. В полупроводниковых кристаллах она равна 10⁸…10⁹ м^-2, в отожженных поликристаллических металлах р=10¹⁰…10¹² м^-2, после холодного пластического деформирования – возрастает до 10¹⁵…10¹⁶ м^-2. Если плотность дислокаций более 10¹⁶ м^-2, то в металле появляются трещины, и он разрушается.

Дислокации значительно влияют на свойства материалов, наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях. Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, так как это уменьшает искажение решетки.

Сильное влияние оказывают дислокации на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определенный предел текучести металла _Т в тысячи раз меньше теоретического значения (рисунок 8). Влияние дислокаций на упругопластические деформации рассмотрено ниже.

Поверхностные дефекты чаще всего проявляются на границах зерен (и субзерен) и представляют угловые границы. Они имеют большие размеры в двух направлениях, и малые в третьем.

Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен, кристаллические решетки в каждом из них ориентированы произвольно. Каждое зерно состоит из более мелких субзерен (блоков), которые представляют собой часть

кристалла с относительно правильным строением. На границе поверхностей зерен и субзерен кристаллические решетки ориентированы различно, образуется переходный граничный слой шириной единицы нанометров. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Схема строения угловых границ показана на рисунке 9.

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Предел текучести _Т связан с размером зерен d зависимостью

, где ₀ и k – константы для данного материала. Поэтому чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость, меньше опасность хрупкого разрушения.

Вдоль границ зерен и субзерен быстрее протекает диффузия, особенно при нагреве. Взаимодействие между дефектами, перемещение их в кристаллах, изменение концентрации дефектов приводит к изменению свойств материалов и имеет большое практическое значение. Их применяют при упрочнении материалов, термической и химико-термической обработке, для изменения электропроводности и других целях.

Объемные дефектыимеют большую протяженность в трех направлениях и снижают прочностные, физические и другие свойства материалов. К ним относятся микротрещины, каверны, пустоты.