Дефекты кристаллической решетки

Процессы деформирования и разрушения твердых кристаллических тел при нагружении изучают с двух позиций:

· макроскопической, связанной с представлением тела в виде области, заполненной непрерывной сплошной средой;

· микроскопической, основанной на представлении о дискретном строении тела (атомы, молекулы).

Анализ процессов деформирования и разрушения твердого тела с микроскопической точки зрения основан на изучении дефектов кристаллической решетки и соответствующих им напряжений, вызванных действием на тело внешних сил. Кристаллические тела вследствие относительно небольших размеров кристаллов состоят из множества кристаллов, а подобное строение называется поликристаллическим. Часто говорят, что поликристаллические материалы при отсутствии преимущественных ориентировок (текстур) статистически изотропны.

В процессе кристаллизации каждый кристалл, пока он окружен жидкостью, часто имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и оказывается зависимой от условий соприкосновения растущих кристаллов. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом агрегате называются зернами или кристаллитами. Различие отдельных зерен заключается в разной пространственной ориентации кристаллической решетки. Однако на практике такое состояние не является единственным. Пластическое деформирование (прокатка, волочение, калибровка и т.д.) приводит к преимущественной ориентировке зерен.

Чтобы классифицировать дефекты кристаллической решетки, необходимо ввести некоторое понятие совершенного кристалла, относительно которого можно определять характерные признаки несовершенств кристаллической решетки.

Совершенным кристаллом называется полностью симметричная бесконечная структура с атомами, размещенными строго в узлах решетки, причем кристалл в целом находится в своем основном квантово-механическом состоянии (при Т=0 К, когда квантово-механическая система имеет наименьший энергетический уровень). При любых нарушениях в расположении атомов или возбуждениях основного состояния говорят о несовершенном кристалле. Характером и степенью нарушения правильности, или совершенства, кристаллического строения в значительной мере определяются свойства кристаллических тел.

Совокупность дефектов решетки и их пространственное рас­п­ре­де­ле­ние в кристалле называют субструктурой кристалла. Несмотря на незначительную концентрацию дефектов решетки, они оказывают на многие структурно-чувствительные свойства существенное, а на некоторые (например, на пластичность) решающее влияние.

Условимся различать бездефектные и дефектные области. Последние можно ограничить поверхностями, проходящими полностью по бездефектным областям. Если такие замкнутые объемы ни в одном из измерений не превышают размеров атомов, то говорят о нуль-мерных, или точечных, дефектах.

Это незанятые узлы решетки – вакансии; неправильно занятые узлы решетки – примесные атомы; атомы, разместившиеся в межатомных промежутках, – межузельные чужие внедренные атомы.

Если размеры дефектной области хотя бы в одном направлении превышают размеры атомов, то говорят об одномерных, или линейных, дефектах решетки, называемых дислокациями.

Имеются также двумерные дефекты решетки: границы зерен, дефекты упаковки, границы двойников.

Дефектную трехмерную область, размеры которой превышают размеры атомов, можно рассматривать как новую фазу.

В общем случае типы дефектов можно классифицировать следующим образом.

Классификация типов дефектов

1. Колебания решетки.

2. Вакансии и внедренные атомы. Незанятый узел решетки называется вакансией (рис.1.10а), а атомы, расположенные между узлами, называются внедренными (рис.1.10в). Число вакансий при нормальной (комнатной) температуре мало по сравнению с общим числом атомов (для металлов примерно 1 вакансия на 10¹⁸ атомов), но сильно увеличивается с повышением температуры, особенно когда она становится близкой к температуре плавления (1 вакансия на10⁴ атомов).

Рис. 1.10. Схемы точечных дефектов:

а – вакансия; б – замещенный атом; в – внедренный атом

Различают вакансии по Шотки (рис. 1.11а), когда атом после отрыва от своего места в решетке попадает в конечном счете на поверхность кристалла (возможно, и на внутреннюю), и вакансии по Френкелю (рис. 1.11б), когда такой атом остается внутри решетки. Это означает, что одновременно с вакансией по Френкелю всегда образуется межузельный внедренный атом.

а б

Рис. 1.11. Схемы дефектов (вакансий) по Шотки (а) и по Френкелю (б)

3. Примеси. Инородные атомы называются примесью замещения (рис. 1.10б) или примесью внедрения (см. рис. 1.10в) в зависимости от того, занимают они место в узлах решетки или между ними.

Примеси, вакансии и внедренные атомы – это точечные дефекты.

4. Дислокации. Линейные дефекты кристаллической решетки называются дислокациями. Пусть в кристаллической решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Дислокация в кристаллической решетке

Дислокация — это специфический линейный дефект кристаллической решетки, нарушающий правильное чередование атомных плоскостей.

Идеальный кристалл можно изобразить схематически в виде семейства параллельных атомных плоскостей (рис. 1.13а). Если одна из плоскостей обрывается (рис. 1.13б), ее край образует линейный дефект, называемый краевой дислокацией.

Рис. 1.13. Конфигурация атомных плоскостей:

а – идеальный кристалл; б – краевая дислокация; в – винтовая дислокация

На рис. 1.13б показана схематически дислокация другого вида – винтовая. В этом случае ни одна из атомных плоскостей не обрывается внутри кристалла, но сами плоскости лишь приближенно параллельны и смыкаются одна с другой так, что кристалл, содержащий одну винтовую дислокацию, состоит фактически из единственной винтообразной изогнутой атомной плоскости.

В чистых металлах объемная плотность дислокаций (количество дислокаций, содержащихся в 1 см³) имеет порядок 10⁶ см^-3. Часто используется понятие линейной плотности дислокаций: суммарная длина дислокаций (в см), содержа­щихся в 1 см³. Для металлов эта величина имеет порядок 10⁸...10¹³ см^-2.

5. Беспорядок. Некоторые кристаллы состоят более чем из одного типа атомов, например ионные кристаллы NaCl. В совершенном (полностью симметричном) кристалле каждый узел решетки занят определенным химическим элементом. Если же некоторый химический элемент занимает не соответствующий ему узел решетки, то образуется дефект, который называют беспорядком.

6.Поверхности. Любой реальный кристалл ограничен в пространстве, поэтому структура идеальной решетки у поверхности нарушается и атомы в окрестности поверхности не могут находиться в полностью симметричном положении. Кроме внешних поверхностей кристалл может иметь также внутренние поверхности: границы зерен и дефекты упаковки.

· Граница зерна представляет собой разупорядоченную область, отделяющую решетку с одной ориентацией от решетки с другой ориентацией. Возможна межзеренная граница особого типа, называемая двойником, относительно которой атомы зеркально симметричны друг другу.

· Дефект упаковки связан с нарушением последовательности укладки кристаллических слоев, т.е. с отсутствием какого-либо одного слоя атомов в кристалле. Дефект упаковки представляет собой поверхность нерегулярности в кристалле, в окрестности которого изменяется тип межатомной связи.

7. Электронные дефекты. При выводе системы из основного квантово-механического состояния (при возбуждении каких-либо атомов кристалла) все атомы могут располагаться так же, как в совершенном кристалле. Тем не менее вследствие электронного возбуждения атомов кристаллическая решетка не будет совершенной. Например, в кристалле-изоляторе такими несовершенствами являются электроны проводимости.

Приведенная классификация дефектов кристаллической решетки позволяет перейти к описанию строения зерен, совокупность которых составляет макроструктуру любого реального кристаллического тела. Зерно не является монолитным кристаллом, построенным из строго параллельных атомных слоев. В действительности оно состоит из мозаики отдельных блоков размерами 10^-7 ~ 10^{-5 м, кристаллографические плоскости которых повернуты относительно друг друга на небольшой угол, примерно равный нескольким минутам. Такое строение зерна носит название мозаичной структуры, а составляющие ее блоки называются блоками мозаики. Так как разориентировка блоков невелика, то их сочленение друг с другом с сохранением правильной, хотя и искаженной, кристаллической структуры происходит посредством дислокаций. Часто блоки объединяются в более крупные агрегаты – фрагменты. Каждый фрагмент содержит большое количество блоков. Фрагменты, в свою очередь, разориентированы относительно друг друга на угол в несколько градусов, а промежутки между их границами содержат различные точечные, линейные и поверхностные дефекты. Такая трехступенчатая структура необязательна. В ряде случаев зерна могут состоять из фрагментов без внутренней блочной структуры или только из блоков.}

Между зернами, угол разориентировки которых составляет более 5°, имеется пограничный слой, с сильно искажённой структурой и высокой концентрацией атомно-кристаллических дефектов. Таким образом, реальный кристалл содержит атомно-кристаллические (вакансии, дислокации и др.) и структурные (блоки, фрагменты) несовершенства.