Дефекты в кристаллах

Дефектами кристаллов называют нарушения идеальной кристаллической структуры. Такое нарушение может заключаться в отсутствии атома в узле решетки (вакансия), в замене атома данного вещества (своего атома) чужим атомом (атомом примеси), во внедрении лишнего атома (своего или чужого) в межузельное пространство. Подобные дефекты называются точечными. Они вызывают нарушения правильности решетки, распространяющиеся на расстояния порядка нескольких периодов.

Кроме точечных, существуют дефекты, сосредоточенные вблизи некоторых линий. Их называют линейными дефектами или дислокациями. Дефекты такого вида нарушают правильное чередование кристаллических плоскостей. Простейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая дислокации.

Краевая дислокация обусловливается лишней кристаллической полуплоскостью, вдвинутой между двумя соседними слоями атомов (рис. 113.1). Край этой полуплоскости образует дислокацию данного вида. Линией дислокации является перпендикулярная к плоскости рисунка прямая, отмеченная знаком .

Винтовую дислокацию можно представить как результат разреза кристалла по полуплоскости и последующего сдвига лежащих по разные стороны разреза частей решетки навстречу друг другу на величину одного периода (рис. 113.2). Внутренний край разреза образует винтовую дислокацию (см. пунктирную прямую на рисунке). Кристалл с винтовой дислокацией фактически состоит из одной кристаллической плоскости, которая изогнута по винтовой поверхности (такую поверхность называют геликоидом). Линия дислокации совпадает с осью винта. При каждом обходе вокруг этой линии кристаллическая плоскость смещается на один период.

Мы рассмотрели два простейших (предельных) вида дислокаций. В обоих случаях линии дислокации являются прямыми. В общем случае линии дислокации могут быть кривыми.

Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства кристаллов, в том числе и на их прочность. В частности, дислокации служат причиной того, что пластическая деформация[2] реальных кристаллов происходит под воздействием напряжений на несколько порядков меньших, чем вычисленное для идеальных кристаллов.

У монокристаллов металлов легко происходит сдвиг вдоль атомных слоев. Не следует представлять себе этот процесс так, что все атомы слоя смещаются одновременно как одно целое. В действительности атомы перескакивают в новые положения небольшими группами поочередно. Такое поочередное перемещение атомов может быть представлено как движение дислокации. Для перемещения дислокации достаточно напряжений, много меньших, чем для перемещения всего атомного слоя сразу. На рис. 113.3 показаны последовательные стадии процесса, происходящего в кристалле под действием сил, обусловливающих сдвиг. Первоначально имевшаяся дислокация под воздействием созданных в кристалле напряжений перемещается вдоль кристалла. Это перемещение сопровождается поочередным сдвигом атомов слоя, лежащего над дислокацией, относительно атомов слоя, лежащего под дислокацией.

Перемещению дислокаций препятствует наличие других дефектов в кристалле, например, присутствие атомов примеси. Дислокации тормозятся также при пересечении друг с другом. Если количество дислокаций и других дефектов в кристалле мало, дислокации перемещаются практически свободно. В результате сопротивление сдвигу будет невелико. Увеличение плотности дислокаций и возрастание концентрации примесей приводит к сильному торможению дислокаций и прекращению их движения. В результате прочность материала растет. Так, например, повышение прочности железа достигается растворением в нем атомов углерода (такой раствор представляет собой сталь).

Пластическая деформация сопровождается разрушением кристаллической решетки и образованием большого количества дефектов, препятствующих перемещению дислокаций. Этим объясняется упрочение материалов при их холодной обработке.

Винтовая дислокация часто возникает в процессе роста кристаллов из раствора или расплава. Захват атома гладкой плоской кристаллической поверхностью энергетически менее выгоден и поэтому менее вероятен, чем присоединение атома к ступеньке, существующей на поверхности кристалла с винтовой дислокацией. Поэтому кристаллы предпочитают расти со встроенной внутрь винтовой дислокацией. Новые атомы присоединяются к краю ступеньки, вследствие чего рост кристалла происходит по спирали.