Дефекты кристаллической структуры

По известному строению и силам связи между частицами кристалла можно, в принципе, рассчитать его свойства. Однако сравнение теоретиче­ских свойств с результатами опытов показывает их существенное разли­чие. Например, реальная прочность кристаллов на два-три порядка ниже расчетной. Это обусловлено наличием дефектов структуры реальных кри­сталлов. Под дефектами понимают любое нарушение упорядоченности идеальной кристаллической решетки. Различают следующие виды дефек­тов:

1. Тепловые колебания.

2. Точечные дефекты - вакансии, атомы внедрения, атомы примеси.

3. Линейные дефекты - дислокации.

4. Поверхностные дефекты - наружная поверхность кристалла, внут­ренние поверхности трещин и пор.

5. Объемные дефекты - поры, пустоты, трещины.

Тепловые колебания атомов присущи любым телам. Наиболее ус­тойчивое положение атомов кристаллической решетки, т.е. состояние рав­новесия, соответствует минимуму потенциальной энергии системы. Одна­ко в действительности силы, удерживающие атомы в узлах решетки, столь малы, что достаточно уже тепловой энергии самих атомов, чтобы заста­вить их переместиться из равновесного положения. Силы взаимодействия стремятся вернуть атом в исходное положение. Возникающие тепловые колебания вызывают временные искажения регулярности решетки кри­сталла.

Энергия тепловых колебаний распределяется по отдельным атомам неравномерно. При неизменной общей энергии системы мгновенные зна­чения энергии каждого атома изменяются от нуля до удвоенной средней энергии тепловых колебаний атома. Такое отклонение истинного (мгно­венного) значения энергии атома от ее средней величины называется флуктуацией энергии и обусловлено хаотичностью теплового движения частиц.

Точечные дефекты - это нарушения кристаллической решетки в изолированных друг от друга точках. Вследствие флуктуации энергии от­дельный атом может получить энергию, достаточную для разрыва связей с соседними атомами и выхода из узла решетки. На его месте образуется ва­кансия, в направлении к которой смещаются соседние атомы, тем самым внося искажения в кристаллическую решетку.

Ушедший атом может реализовать одну из трех возможностей: занять соседнюю вакансию (при этом происходит аннигиляция, т.е. взаимное уничтожение дефектов); выйти на границу кристалла (оставляя после себя вакансию); внедриться между узлами решетки (образуя пару дефектов -атом внедрения и вакансия). Наличие примесных атомов, т.е. атомов дру­гого химического элемента, также вносит искажение в кристаллическую решетку.

За счет тепловых флуктуации указанные дефекты постоянно зарож­даются и исчезают в любом реальном кристалле. С повышением темпера­туры увеличивается кинетическая энергия атомов и, следовательно, воз­растает вероятность выхода атомов из узла решетки. При, отсутствии ме­ханических воздействий дефекты кристалла находятся в термодинамиче­ском равновесии, т.е. число вновь образующихся дефектов компенсирует­ся их аннигиляцией. Данной температуре соответствует определенная кон­центрация дефектов (достигающая). В результате серии последо­вательных «скачков» вакансий и атомов наблюдается диффузия точечных дефектов, носящая хаотический характер.

Под действием внешней механической нагрузки за счет внесения до­полнительной энергии в тело термодинамическое равновесие нарушается, концентрация дефектов возрастает и их движение приобретает упорядо­ченный (направленный) характер. Вследствие этого происходит объедине­ние вакансий (что энергетически выгодно) с образованием микропустот и зародышевых микротрещин.

Линейные дефекты можно представить сочетанием краевой и вин­товой дислокаций (рис. 1.2). Краевая дислокация (см. рис.1.2,а) образуется за счет лишней (или оборванной) атомной плоскости, внедренной в кристаллическую решетку. Под линией дислокации понимают место «обрыва» этой плоскости, где искажения кристаллической решетки максимальны. Винтовая дислокация (см. рис. 1.2,6) образуется за счет сдвига кристаллической решетки на одно межатомное расстояние.

Рис. 1,2. Краевая (а) и винтовая (б) дислокации

Энергия образования дислокаций значительно выше, чем точечных дефектов, и составляет порядка 3-30 эВ на одно межатомное расстояние вдоль линии дислокации. Поэтому тепловые флуктуации не могут рождать дислокации, т.е. число дислокаций не зависит от температуры и обуслов­лено лишь предысторией кристалла (условиями кристаллизации и после­дующей пластической деформацией).

Важнейшим свойством дислокаций является их подвижность и ак­тивное взаимодействие между собой и с любыми другими дефектами кри­сталлической решетки. Для того чтобы вызвать движение дислокаций, достаточно создать в кристалле небольшое напряжение сдвига порядка 1 МПа. Уже под влиянием такого напряжения дислокация будет переме­щаться в кристалле, пока не встретит какого-либо препятствия, которым может быть граница зерна, другая дислокация, атом внедрения и др. При встрече с препятствием дислокация искривляется, огибает препятствие, образуя расширяющуюся дислокационную петлю, которая затем «отшнуровывается» от исходной дислокации и начинает самостоятельное сущест­вование. Оставшаяся часть дислокации (перед препятствием) под воздей­ствием достаточного внешнего напряжения снова будет изгибаться, и весь процесс повторится.

Таким образом, при взаимодействии движущихся дислокаций с пре­пятствиями происходит их размножение. Если в недеформированных кри­сталлах через площадку в проходит порядка дислокаций, то при пластической деформации плотность дислокаций возрастает в тысячи, а иногда и в миллионы раз. Процесс размножения дислокаций продолжа­ется до тех пор, пока их суммарное упругое поле не сбалансирует внешнее напряжение.

Поверхностные дефекты. К таким дефектам относятся: наружная поверхность тела в целом, граница между отдельными зернами и любые другие несовершенства, возникающие на плоскостях контакта различных кристаллов. В частности, в кристаллах существуют плоскости ослабления (плоскости спайности), где расстояние между атомными плоскостями не­сколько больше, чем в самом кристалле. Установлено, что все кристаллы имеют мозаичную структуру, т.е. состоят из блоков размером м, расположенных лишь приблизительно параллельно друг другу (величина углов между ними - от нескольких секунд до десятков минут).

Объемные дефекты. Представляют собой трещины, поры и пустоты.