2.1.5. Дефекти кристалічної будови

Реальні кристали на відміну від ідеальних мають багато різ­них дефектів. Під дефектом розуміють зону кристалу, де порушено правильне розташування атомів. За геометричною ознакою дефекти кристалічної будови поділяють на: точкові, лінійні, поверхневі, об'ємні.

2.1.5.1. Точкові дефекти

Точкові дефекти (нульвимірні) дуже малі в усіх трьох ви­мірах у просторі: їх розміри не перевищують декількох параме­трів кристалічної комірки. До таких дефектів належать вакан­сії, міжвузлові атоми, атоми домішок тощо.

Вакансією називається порожнє місце в кристалі, де мав би перебувати атом (рис. 2.1.5, а). Утворення вакансії за механіз­мом Шотткі зображене на рис. 2.1.6. Оскільки атоми коливають­ся навколо положення рівноваги, то окремий атом, наприклад атом 1 з вищою ніж середня енергією, покидає вузол кристаліч­ної ґратки й потрапляє на поверхню кристалу або на границю між зернами. На місці, де перебував атом 1, утворилась вакан­сія (рис. 2.1.6, а), яку заповнює згодом атом 2 (рис. 2.1.6, б), а потім атом 3 (рис. 2.1.6, в). В результаті відбувається міграція вакансії в глибину кристалу.

Кожній температурі відповідає своя рівноважна концентра­ція вакансій. Що вища температура кристалу, то більше в ньо­му вакансій і частіше вони переходять від вузла до вузла. При температурі, близькій до температури плавлення металу, кіль­кість вакансій становить близько 1 % кількості атомів у крис­талі. Пересичення вакансіями може відбутися внаслідок рапто­вого охолодження під час гартування, пластичної деформації або опромінення металу нейтронами. З часом пересиченість ва­кансіями зменшується через їх вихід на поверхню кристалу чи на границі зерен. Вакансії сприяють перебігу дифузійних про­цесів. Зі збільшенням кількості вакансій зменшуються густи­на, електро- і теплопровідність кристалу.

Міжвузловим називають атом, що вийшов із положення рівноваги і зайняв простір між вузлами (рис. 2.1.5, б). На його місці утворилась вакансія (на рисунку не зображена). Перехід атомів у міжвузлове положення викликає опромінення нейтро­нами, при цьому значно менший вплив мають теплові коливан­ня атомів.

Атоми домішок є навіть у найчистішому металі. Вони або заміщають атоми основного металу у вузлах кристалічної ґратки (рис. 2.1.5, в), або розташовуються між вузлами (рис. 2.1.5, б).

У близькому оточенні точкових дефектів кристалічна ґрат-ка викривлюється (рис. 2.1.5). Такі спотворення суттєво не по­значаються на механічних властивостях металу, зате вони по­значаються на деяких його фізичних властивостях, наприклад на електроопорі.

2.1.5.2. Лінійні дефекти

Лінійні порушення будови кристалу мають малі розміри в двох вимірах і велику довжину в третьому. Дуже важливими серед лінійних дефектів є крайові та гвинтові дислокації. їх назва походить від латинського слова dislocation, що в перекла­ді означає розміщення.

Крайова дислокація — це лінія АВ (рис. 2.1.7, б) на краю зайвої атомної півплощини АВЕС в кристалі. Одним із способів утворення крайової дислокації є зсув частини атомів кристалу відносно іншої частини атомів на ділянці площини ковзання ABCD (рис. 2.1.7, а) під дією прикладеної сили F. Внаслідок такого зсуву у верхній частині кристалу маємо на одну атомну площину більше (рис. 2.1.7, б), ніж у нижній. Зайва площина АВЕС, яка перпендикулярна до напрямку зсуву, називається екстраплощиною. Вона не має продовження у нижній частині кристалу. Екстраплощина ніби розклинює кристал, зближаю­чи атоми над дислокацією і розсуваючи їх під нею. Тому в невеликій спотвореній зоні — ядрі дислокації — міжатомні відстані менші або більші від нормальних, а поза межами ядра вони нормальні. Крайова дислокація АВ простягається на ба­гато тисяч міжатомних відстаней. Пересування дислокації під дією сили F може відбуватись доти, поки вона не вийде на поверхню кристалу, де утвориться сходинка (рис. 2.1.7, в). Якщо екстраплощина є у верхній частині кристалу, то дислока­ція умовно вважається позитивною і позначається знаком ±,

а якщо екстраплощина лежить у нижній його частині, то — негативною і позначається Т.

Дислокації можуть взаємодіяти як між собою, так і з інши­ми дефектами. Оскільки над дислокацією існує локальна зона пружних деформацій стиснення, то сусідні дислокації з одна­ковим знаком взаємно відштовхуються, а з протилежним зна­ком — взаємно притягаються. При цьому дислокації з різними знаками рухаючись назустріч в одній площині ковзання, мо­жуть взаємно знищуватись (анігілювати), утворюючи з двох півплощин одну повну площину.

У зону розсунутих атомів надходять атоми домішок і розташо­вуються вздовж краю екстраплощини. Таке скупчення домішкових атомів називається атмосферою Коттрелла. З підвищенням температури концентрація домішкових атомів біля дислокацій зменшується, а зі зниженням температури — зростає. Домішкові атоми блокують переміщення дислокацій. Тому утворення атмосфер Коттрелла істотно зменшує пластичність металу.

Спотворення кристалу в ядрі дислокації оцінюють векто­ром Бюргерса. Для знаходження вектора Бюргерса розглянемо два кристали: один — недосконалий із крайовою дислокацією (рис. 2.1.8, а) і другий досконалий без дислокації (рис.2.1.8, б). Навколо крайової дислокації за межами спотвореного ядра, тобто в тих вузлах, де спотворень практично немає, проведемо від вузла А (рис. 2.1.8, а) контур у вигляді вертикальних і горизо­нтальних відрізків АВ, ВС, CD, DA, що з'єднують сусідні вузли ґратки. Він замкнеться на відрізку DA, який складається не з

шести, а з п'яти міжатомних відстаней. Якщо такий самий шлях від вузла до вузла пройти в досконалому кристалі, то відрізок D'A' вмістить в собі шість міжатомних відстаней. Різниця дов­жин відрізка D'A' контура в досконалому кристалі і відрізка DA контура в кристалі з крайовою дислокацією називається

вектором Бюргерса й позначається буквою в . Вектор Бюргерса дорівнює одній міжатомній відстані й у випадку крайової дисло­кації перпендикулярний до лінії дислокації АВ (рис. 2.1.7, б). Кількісною характеристикою дислокаційної структури є гус­тина дислокацій р, яка дорівнює відношенню сумарної довжи­ни дислокацій Y.I до об'єму кристалу V:

Густина дислокацій помітно впливає на механічні властивос­ті: з її збільшенням зростає міцність і знижується пластичність металів.

Дислокації виникають під час кристалізації, пластичної де­формації, фазових перетворень. Швидкість дифузії вздовж дис­локацій значно вища, ніж в кристалах без дислокацій.

Гвинтова дислокація є лінією АВ (рис. 2.1.9), що нею обме­жена площина Q, в якій відбувся зсув сусідніх частин кристалу

на одну міжатомну відстань у напрямку дії сил F. При цьому паралельні атомні площини в безпосередній близькості від лінії дислокації АВ трасформуються у гвинтову поверхню. В ядрі дислокації атоми зсунуті з положень рівноваги. Гвинтові дис­локації, на відміну від лінійних, не притягують вакансій і між­вузлових атомів. Гвинтова дислокація називається правою, якщо хід її гвинтової поверхні такий, як у правої різі, і лівою, якщо хід — як у лівої різі.

Теорія дислокацій вперше була застосована в 30-х pp. XX ст. для пояснення процесу пластичної деформації в кристалічних тілах і для врахування величезної невідповідності між теоретич­ною та практичною міцністю металів.