Дефекты в кристаллах

В реальных кристаллических решетках всегда существуют отклонения от идеальной упорядоченной структуры. Все такие отклонения называют дефектами кристаллической решётки. Их можно подразделить на макроскопические и микроскопические. К первым относятся разного рода поры, трещины, инородные макроскопические включения и пр. Наиболее простыми микроскопическими дефектами являются точечные дефекты. Типичны среди них вакансии (отсутствие атома в одном из узлов решетки), а также чужеродные (примесные) внедрения атомов в отдельные узлы решетки или в ее междоузельное пространство. Вакансии могут возникать в кристалле в результате тепловых флуктуации, поэтому оказываются термодинамически равновесными. Следовательно, они неизбежны, как и всякие флуктуации. Концентрация вакансий, как правило, очень мала.

Особую группу составляют линейные дефекты, называемые д ислокациями. Они нарушают правильное чередование атомных плоскостей решетки В отличие от точечных дефектов, дислокации нарушают дальний порядок в кристалле, искажая всю его структуру Поэтому именно они более всего влияют на механические свойства твердых тел.

Различают краевые и винтовые дислокации Краевые дислокации характеризуются появлением в решетке лишней плоскости, которая расклинивает кристалл. Винтовые дислокации превращают кристаллические плоскости решетки в геликоидальную поверхность (подобную винтовой линии без ступенек).

Дефекты в кристаллах оказывают сильное влияние на их физическиесвойства (механические, магнитные, электрические, тепловые и др.) В частности, они резко, в десятки и сотни раз, снижают механическую прочность кристаллов. Обнаружено, что на прочность кристаллов отрицательно влияют и другие причины. Например, попадающие на поверхность материала поверхностно-активные вещества (ПАВ). По-видимому, они проникают в мельчайшие зародышевые трещины и расклинивают их.

Прочность материала увеличивается в результате подавления процессов зарождения трещин, а также создания препятствий для их распространения в теле. Поэтому наиболее прочные материалы могут быть получены двумя противоположными способами.

Один из них состоит в выращивании бездефектных (например, нитевидных) кристаллов, где устранены источники внутренних напряжений, на которых могут зарождаться трещины. Другой путь, наоборот, состоит в максимальном искажении правильной структуры кристалла, что также препятствует распространению в теле трещин и пластических деформаций. Этот способ наиболее распространен в металлургии и называется легированием. Близки к нему наклёп и закалка металлов.

Более подробно эти вопросы изучаются в специальных курсах материаловедения.