Defekty Kristallicheskoj Struktury

2. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
Структура реальных кристаллов отличается от идеальной. В реальных
кристаллах всегда наблюдаются те или иные нарушения периодичности расположения атомов. Эти нарушения называются дефектами структуры.
Дефекты кристаллической структуры в зависимости от размеров подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Точечные дефекты имеют размеры сравнимые с межатомными расстояниями (т.е. несколько Å). Длина линейных дефектов на несколько порядков больше их
толщины и ширины. У поверхностных дефектов мала толщина (10 Å), а
ширина и длина больше её на несколько порядков. Объемные дефекты имеют значительные размеры во всех трех измерениях.
2.1. Точечные дефекты кристаллической структуры.
К точечным дефектам кристаллической структуры относятся вакансии,
межузельные атомы и атомы примесей.
Вакансией называют незанятое атомом свободное место в узле кристаллической решетки.
Межузельным называют атом, смещенный из узла кристаллической решетки в положение между узлами.
Примесные атомы могут размещаться как в узлах кристаллической решетки (примесные атомы замещения), так и в межузельном пространстве
(примесные атомы внедрения).
В – вакансия;
МА – межузельный
атом;
ПАЗ – примесный атом
замещения;
ПАВ – примесный атом
внедрения.
1
Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любых
температурах выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов.
Рождаются они, как правило, парами и являются достаточно подвижными.
При встрече межузельных атомов и вакансий может произойти рекомбинация, т.е. взаимоуничтожение дефектов. Вакансии также могут исчезать на
любых свободных поверхностях кристалла, т.е. порах, границах зерен, микротрещинах, которые называют стоками дефектов. Процессы рекомбинации
и уничтожения дефектов уравновешиваются процессами их генерации. Любой температуре соответствует своя равновесная концентрация точечных дефектов. Чем выше температура, тем выше концентрация точечных дефектов.
Подвижные вакансии играют заметную роль в процессах диффузии. Все
точечные дефекты и особенно примесные атомы препятствуют прохождению
электрического тока через металл, повышая его электросопротивление. На
механические свойства точечные дефекты оказывают слабое влияние. Их
влияние проявляется только при достаточно высокой концентрации дефектов. Например, у облученных металлов, отличающихся высокой концентрацией точечных радиационных дефектов, повышаются прочность и твердость,
а также изменяются другие характеристики.
2.2. Линейные дефекты кристаллической структуры.
К линейным дефектам кристаллической структуры относятся краевые и
винтовые дислокации.
Краевую дислокацию образует край АА' «лишней» атомной полуплоскости (экстраплоскости - см. рис.). Если экстраплоскость расположена в верхней части кристалла, то соответствующую дислокацию обозначают значком
«», а если в нижней, то знаком «┬».
Дислокации являются подвижными дефектами, причём дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного притягиваются. При встрече
двух дислокаций противоположного знака может произойти их аннигиляция
(т.е. взаимоуничтожение).
2
Линия краевой дислокации может быть прямой, вогнутой, а также замкнутой в петлю.
Краевая
дислокация
Винтовая
дислокация
Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой части, происходящий по некоторой плоскости
скольжения (ПС). Линию L, лежащую в этой плоскости и отделяющую ту её
часть, где сдвиг уже произошел от той её части, где сдвиг ещё не происходил, называют линией винтовой дислокации. Кристалл как бы закручивается
в спираль вокруг этой линии. Если закручивание происходит по часовой
стрелке, то такая дислокация называется правой, если против – левой.
Вокруг любой дислокации кристаллическая решетка материала искажена.
Мерой искажения решетки или повышения её упругой энергии является так
3
называемый вектор Бюргерса. Для его получения необходимо вокруг дислокации обойти контур, двигаясь при этом от узла к узлу решётки с равным количеством периодов в противоположенных направлениях. В идеальном, бездефектном кристалле такой контур оказался бы замкнутым, но в реальном
кристалле для его замыкания не хватает вектора b, который и является вектором Бюргерса. Длинна этого вектора оказывается равной периоду решетки, а
направление перпендикулярным линии дислокации, если дислокация краевая, и параллельной линии дислокации, если дислокация винтовая. Совокупность дислокаций характеризуется суммарным вектором Бюргерса.
Линия дислокации не может обрываться в кристалле, она либо выходит
на поверхность (в частности на границы зерен, блоков), либо замыкается сама на себе.
Под плотностью дислокаций понимают общую длину всех дислокаций,
приходящихся на единицу объёма материала:
N
ρ  li
i 1
V
[см /см3]=[ см-2],
(2)
где li – длина отдельной дислокации; V – объём материала.
В полупроводниковых кристаллах плотность дислокаций составляет величину 104 105 см–2, а в отожженных металлах - 106 108 см–2.
Дислокации играют важную роль в механизме пластического деформирования металлов. При пластической деформации происходит сдвиг атомных
слоёв относительно друг друга и дислокации способствуют этому процессу,
свободно перемещаясь под действием внешней нагрузки. Чем легче перемещаются дислокации, тем меньше нагрузка, при которой происходит этот
сдвиг. Таким образом, своей пластичностью металлы обязаны наличию в них
большого количества подвижных дислокаций.
Под воздействием холодной пластической деформации плотность дислокаций в металлах возрастает до 10111012 см –2. Это приводит к ограничению
подвижности дислокаций из-за их интенсивного взаимодействия. В результате металл теряет пластичность и становится более прочным.
4
Дислокации притягивают в свою зону примесные атомы. Цепочки этих
атомов образуют вдоль дислокаций так называемые атмосферы или облака
Коттрела.
2.3. Поверхностные и объемные дефекты структуры.
К поверхностным дефектам структуры относятся границы зёрен, а также
границы фрагментов и блоков, из которых состоят сами зёрна. Границы зёрен
являются местом скопления дислокаций и примесных атомов. Здесь порядок
расположения атомов сильно нарушен. Малоугловые границы фрагментов и
блоков представляют собой дислокационные стенки (см. рис.). Здесь также
скапливаются атомы примесей.
Поверхностные дефекты оказывают существенное влияние на физические и механические
свойства материалов. Они, в частности, препятствуют прохождению электрического тока через материал и способствуют процессам диффузии.
Для механических свойств особое значение имеет состояние межзёренных границ. С уменьшением размера зерна и, следовательно, увеличением
общей протяженности границ, повышаются предел текучести и прочность
материала. Одновременно с измельчением зерна увеличиваются пластичность и вязкость материала.
К объемным дефектам структуры относятся микротрещины, всевозможные поры и инородные включения. Все объемные дефекты при разрушении
материалов играют роль концентраторов напряжений и, как правило, снижают прочностные характеристики материала.
5