Дефекты кристаллических решеток

Дефекты кристаллических решеток

Идеальных кристаллов, в которых все атомы  находились бы в положениях с минимальной  энергией, практически не существует. Отклонения от идеальной решетки  могут быть временными и постоянными. Временные отклонения возникают  при воздействии на кристалл механических, тепловых и электромагнитных колебаний, при прохождении через кристалл потока быстрых частиц и т. д. К постоянным несовершенствам относятся:

•          точечные дефекты (межузельныс атомы, вакансии, примеси). Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, их размеры по всем направлениям не больше нескольких атомных диаметров;

•          линейные дефекты (дислокации, цепочки  вакансий и меж-узельных атомов). Линейные дефекты имеют атомные размеры  в двух измерениях, а в третьем - они значительно больше размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла;

•          плоские, или поверхностные, дефекты (границы зерен,

границы самого кристалла). Поверхностные дефекты  малы

только  в одном измерении;

•          объемные дефекты, или макроскопические нарушения (за

крытые  и открытые поры, трещины, включения  постороннего

вещества). Объемные дефекты имеют относительно большие

размеры, несоизмеримые  с атомным диаметром, во всех трех измерениях.

Как межузельные  атомы, так и вакансии (т. е. узлы решетки, в которых отсутствуют атомы) являются термодинамически равновесными дефектами: при каждой температуре в кристаллическом теле имеется вполне определенное количество дефектов.

Примеси в  решетках имеются всегда, поскольку  современные методы очистки кристаллов не позволяют еще получать кристаллы с содержанием примесных атомов менее 10й см-3. Если атом примеси замещает атом основного вещества в узле решетки, он называется примесью замещения. Если примесный атом внедряется в междоузлие, его называют примесью внедрения.

Точечные  дефекты повышают энергию кристалла, так как на образование каждого  дефекта была затрачена определенная энергия. Вокруг пустого узла или  атома в междоузлии решетка искажена. Точечный дефект можно рассматривать  в первом приближении как центр сжатия или расширения в упругой среде ( 7). Напряжения и деформации вокруг такого центра убывают обратно пропорционально третьей степени расстояния от него.

Важной  особенностью точечных дефектов является их подвижность. Перемещение дефектов связано с преодолением потенциальных барьеров, высота которых определяется природой дефекта, структурой решетки и направлением перемещения дефекта. Перескоки вакансий приводят к перемещению атомов, т. е. к самодиффузии примесных атомов замещения. Вакансионный механизм - основной диффузионный механизм.

Для получения  фиксированных концентраций вакансий и управления с их помощью процессами применяют закалку металла (резкое охлаждение после высоких температур), пластическую деформацию, облучение  быстрыми нейтронами и т. д.

В настоящее  время особое внимание исследователей занимают такие дефекты в кристаллах, которые носят название дислокаций (зацеплений, смещений). Представления  о дислокациях оказались очень  плодотворными при объяснении причин пластических деформаций, ползучести, наклепа, упрочнения, роста кристаллов и некоторых других явлений в металлах. Теория дислокаций сейчас интенсивно развивается и начинает успешно применяться при объяснении ряда процессов, протекающих в строительных материалах.

Дислокации  могут быть двух основных типов: краевые (линейные) и винтовые. И те и другие возникают в том случае, если, например, вакансии объединяются или  блоки кристаллов срастаются друг с  другом при некотором отклонении от совершенного порядка, т. е. под некоторым углом дезориентации

Данное несовершенство постепенно приводит к смещению плоскости на один период решетки. При краевой  дислокации это выглядит так, словно в совершенную кристаллическую  плоскость вставлена еще одна дополнительная плоскость, перпендикулярная чертежу и не имеющая продолжения в нижней половине кристалла. Такую «лишнюю», неполную атомную плоскость называют экстраплоскостью. Центр ее изображают в виде буквы Т (отрицательная дислокация) или перевернутой Т (положительная дислокация). Длина дислокаций может составлять несколько тысяч периодов решетки, т. е. иметь протяженность порядка 1(Г3 мм, причем они могут изгибаться в спираль, петли и т. д.

Лишний атомный слой (экстраплоскость) действует как клин, изгибая решетку  вокруг своего нижнего края внутри кристалла. Наиболее существенно то, что в некоторой области непосредственно вблизи края экстраплоскости внутри кристалла решетка сильно искажена. Выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края - больше их. Атом на самой кромке экстраплоскости имеет меньше соседей, чем атом внутри совершенной решетки. Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией.

Винтовая дислокация представлена на  9. В этом случае происходит смещение на один период решетки правой части  кристалла, частично надрезанной по плоскости ABCD относительно левой. Это приводит к изгибу горизонтальных атомных плоскостей таким образом, как это показано на схеме, где линия дислокации параллельна плоскости сдвига.

Таким образом, после сдвига по плоскости ABCD вдали от линии ВС решетка остается совершенной, а вблизи от линии ВС (вдоль нее) тянется область несовершенства. В одном измерении - вдоль линии ВС - область несовершенства имеет макроскопический размер, а в других - она очень мала (ее размеры по нормали к линии ВС составляют несколько периодов решетки). Несовершенная область вокруг линии ВС называется винтовой дислокацией.

В отличие от краевой дислокации, которая всегда перпендикулярна  вектору сдвига, винтовая дислокация параллельна вектору сдвига. Кроме  того, краевая дислокация в определенной кристаллографической плоскости может быть образована сдвигом только по этой плоскости. Винтовая же дислокация может образоваться при сдвиге по любой кристаллографической плоскости, содержащей линии дислокации, по любой поверхности, оканчивающейся на этой линии.

Следует учитывать, что дислокации, обладая повышенной подвижностью, сами способны стать источником новых  дислокаций. Перемещаются дислокации двумя путями - скольжением или  диффузией.

Теория дислокаций позволяет объяснить, почему прочность кристаллов и поликристаллического сростка до 1000 раз меньше теоретической. Именно дислокации, расположенные по границам блоков, и служат теми дефектами, удаление которых повышает прочность материала. В тонких монокристаллических нитях эта прочность приближается к теоретической.

Перемещением дислокаций удается  объяснить те сравнительно невысокие  усилия, которые вызывают сдвиг кристаллов в процессах пластической деформации. Например, величина наклепа, способствующая упрочнению стали, объясняется явлением дислокаций, которые могут перемещаться в кристалле. При взаимной встрече линейных дислокаций число их может возрасти, и, переплетаясь, они образуют как бы спутанные нити. В этом случае сталь упрочняется, и, если деформация будет продолжаться, она будет хрупкой.

Если надо сломать проволоку или кусок  жести, то их следует несколько раз  отогнуть в одну и другую сторону. Сначала металл деформируется легко, затем - немного упрочняется и, наконец, - хрупко ломается.

Металл, упрочненный  деформацией, может быть возвращен в исходное «мягкое» состояние отжигом - нагревом до полной или частичной рекристаллизации, при этом большинство дислокаций исчезает.

Наличие дислокации в неметаллических строительных материалах было установлено при  изучении кальцита и гипса, используемых в строительстве.

Таким образом, теория дислокаций является полезной при рассмотрении физических и физико-химических явлений в твердом теле. В то же время имеющийся опыт, а также  теоретические расчеты показывают, что нельзя механически распространять выводы, вытекающие из представлений об идеальном кристалле, на реальные пористые поликристаллические неоднородные в химическом и дисперсионном отношении структуры.

Основные  положения этой главы весьма важны  для понимания многих процессов, происходящих в твердых и жидких телах, но не могут непосредственно применяться для определения механических характеристик искусственных строительных конгломератов.