Дефекты кристаллических структур

Дефекты строения кристаллических тел

Кристаллические решетки могут иметь различные структурные несовершенства, существенно изменяющие свойства материала. Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Реальные кристаллы всегда содержат дефектывнутреннего строения – искажения правильного расположения атомов в пространстве. Дефекты оказывают влияние на свойства материала. Различают следующие структурные несовершенства:

– точечные – малые во всех трех измерениях;

– линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;

– поверхностные – малые в одном измерении и значительные размеры в двух других измерениях;

– объемные дефекты (макродефекты) – искажения решетки, которые вызваны наличием пор, микротрещин, раковин и других макронарушений непрерывности кристаллической решетки.

Точечные дефекты

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных и примесных атомов (рис. 2.1). Размеры точечных дефектов не превышают нескольких атомных диаметров.

     а                     б                       в

Рис. 2.1. Точечные дефекты

Точечные дефекты образуются в результате кристаллизации под воздействием тепловых, механических, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами и рентгеновскими лучами.

Вакансия (рис. 2.1, а) – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т.д.), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронное облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться и объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки (атомы замещения – рис. 2.1, б) или междоузлиях (атомы внедрения).

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлии (рис. 2.1, в). Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводности, магнитных свойств), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. Около таких дефектов решетка будет упруго искаженной на расстоянии нескольких периодов. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.