6. Дефекты кристаллической решетки

6.1. Точечные дефекты

Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные (трехмерные).

К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы (или атомы внедрения), примесные атомы (атомы внедрения или замещения).

К линейным дефектам относятся: дислокации, дисклинации, цепочки вакансий и межузельных атомов.

Поверхностные дефекты: границы зерен, субзерен и двойников, дефекты упаковки, границы доменов в сверхструктуре.

Объемные дефекты: поры, трещины, царапины, раковины, инородные включения и др.

Идеальный кристалл - застывшая схема, в которой неподвижные атомы образуют правильную систему точек - узлы кристаллической решетки.

В реальном кристалле - атомы совершают колебания в узлах кристаллической решетки, а в структуре содержатся несовершенства: вакансии, дислокации и пр.

Точечные дефекты могут быть собственными и примесными.

Кэлементарным собственным дефектам относят вакансии и межузельные атомы, к примесным - атомы примеси в позициях замещения или внедрения.

В

Рис. 6.1.Точечные дефекты в плотноупакованной решетке. 1 – атом замещения; 2 – вакансия;

3 – дислоцированный атом; 4 – атом внедрения.

акансия образуется при удалении атома из его нормального положения в узле кристаллической решетки. Межузельный атом – это собственный атом, втиснувшийся между атомами в узлах кристаллической решетки. Вакансия имеет ядро дефекта на расстоянии одного - двух атомных диаметров от центра

вакансии. Вакансия стремится стянуть решетку вокруг себя и является, таким образом, центром всестороннего растяжения в непрерывной упругой среде.

Межузельные атомы внедрения расположены между атомами основного материала и размещаются не в любом междоузлии, а преимущественно в "пустотах", имеющих больше свободного пространства. В ГЦК и ГПУ решетках это тетраэдрические пустоты, а в ОЦК-решетке - октаэдрические. (Например, углерод).

Кроме одиночных лишних атомов часто энергетически выгоднее расположение "спаренных " атомов - образующих гантель в одном направлении (гантель из двух атомов) или краудионом - группы атомов в одном направлении.

Относительная концентрация вакансий C_V равна отношению числа N_X вакантных узлов к общему числу N узлов в кристаллической решетке:

C_V = N_X/N .

Концентрация вакансий зависит от температуры Т по закону

C_V = exp(-E₀/kT),

где E₀ – энергия активации образования вакансии;

k – постоянная Больцмана.

C понижением температуры концентрация вакансий быстро уменьшается. При Т0, C_V0. Т.о. безвакансионным может быть кристалл лишь при абсолютном нуле температур (0К). При увеличении температуры (условно Т) C_V1 или N_X = N. Это возможно при температуре плавления, когда все атомы покидают свои узлы.

6.2. Миграция точечных дефектов

Атомы, совершающие колебательное движение, непрерывно обмениваются энергией. Из-за хаотичности теплового движения энергия неравномерно распределена между разными атомами. В какой-то момент атом может получить от соседей такой избыток энергии, что приведет к тому, что он займет соседнее положение в решетке, если оно свободно.

Таким образом, (флуктуационно) осуществляется миграция (перемещение) вакансий в объеме кристалла.

Частота перескоков Г в новое положение, совершаемых дефектом в единицу времени (1 сек), равна:

Г=₀ехр(S₀/k)ехр(-E₀/kT), (6.1)

где ₀ - частота колебаний в направлении перевальной точки, т.е. "частота попыток" перехода в соседний узел (10^-13 с^-1 ), k – постоянная Больцмана,

S₀ - энтропия миграции вакансий.

В случаях, когда вакансионный механизм диффузии - главный, коэффициент самодиффузии пропорционален концентрации и подвижности вакансий, а энергия активации самодиффузии Е_Д равна сумме энергий образования и миграции вакансий

(6.2)

Справедливость (6.2) подтверждается сопоставлением экспериментальных значений (Е₀ + Е_m) и Е_д (результаты в таблице получены независимыми источниками).

Таблица. Экспериментальные значения Е₀, S₀, Е_м и Е_д

Металл	Е0, эВ	S0/k	Еm, эВ	Е0+Еm	Ед, эВ
Г Ц К *
Золото	0,95	0,7	0,83	1,78	1,76
Серебро Медь Алюминий Платина	1,13 1,28 0,67 1,51	1,5 2,4 0,7 -	0,66 0,71 0,62 1,43	1,79 1,99 1,29 2,94	1,76 2,07 1,28 2,9
О Ц К
 – железо Вольфрам Молибден	1,4 3,6 3,2	- 2 -	1,24 1,7 1,3	2,64 5,3 4,5	2,6 5,7 4,5

Атомы примесей замещения мигрируют с помощью вакансионного механизма и по междоузлиям.

Последний осуществляется в основном при относительно меньших размерах атомов примеси по сравнению с атомами матрицы. Именно поэтому железо диффундирует в стали намного медленнее углерода. Атомам железа необходима для этого вакансия, а атомам углерода достаточно и междоузлия.