4.3 Подвижность точечных дефектов

Высокий локальный уровень энергии вакансий и дислоцированных атомов способствует непрерывному их перемещению в решетке. Соседний с вакансией атом, обладающий повышенной энергией, может переместить­ся на ее место. "Дырка"- же окажется на бывшем месте этого атома и ее, в свою очередь, может занять другой атом, образуя на своем месте вакансию, в которую может попасть соседний с ней атом и т.д.

С повышением температуры увеличивается число вакансий (согласно уравнению Аррениуса) и сокращается время их нахождения в узле ре­шетки. При температурах, близких к плавлению, число вакансий достигает максимального количества (1-2%) от общего числа атомов. Подсчитано, например, что в 1 см³ кадмия при 300 К количество дефектов составляет ~10⁴ , а при 600 К - уже ~10¹³.

Аналогично перемещение в решетке и дислоцированных атомов, хотя количество вакансий и межузельных атомов в единичном объеме, как правило, различно. Обычно, количество вакансий во много раз (на несколько порядков) больше, чем межузельных атомов. Это объясняется тем, что образование "дырок" чаще происходит в результате испарения отдельных атомов с поверхности кристалла, чем по механизму образования пар Френкеля. Источником вакансий могут быть также пустоты и трещины внутри материала, а также границы зерен. В реальных металлах создаются не только одиночные вакансии, но иногда и двойные (Е - рис.4.2), тройные и более крупные, образуя цепочку вакансий или микропоры. Скопление вакансий в избранных местах приводит к образованию пор, трещин и тому подобных более грубых дефектов. Процесс перемещения дислоцированных атомов и вакансий в кристаллической решетке однородного материала называется самодиффузией.

Точечные несовершенства кристаллической решетки появляются и в результате внедрения инородных атомов примесей (D - рис.4.2) которые, как правило, присутствуют даже в самом "чистом" металле.

Это в первую очередь относится к таким элементам, как водород, кислород, азот и некоторые другие. Они довольно легко могут попасть в металл из воздушной среды или из шихты, например, во время выплавки металла. Как и собственные межузельные атомы они искажают кристаллическую решетку (рис.4.3, б). Поэтому участку решетки вокруг чужеродных атомов свойственна повышенная энергия. Небольшие размеры атомов примесей, а также их избыточная энергия способствуют процессу перемещения их в кристаллической решетке, естественно усиливающемуся с ростом температуры в соответствии с уравнением Аррениуса.

Перемещение только чужеродных атомов в кристаллической решетки металла называют гетеродиффузией. Явление перемещения как собственных, так и чужеродных атомов внутри тела называют диффузией.

Атомы металла находятся в узлах кристаллической решетки в устойчивом положении, т.е. имеют относительно минимальный запас свободной энергии. Для того чтобы переметить атом из узла решетки в межузлие, необходимо преодолеть потенциальный или энергетический барьер, создаваемый соседними с ним атомами, и тем самым затратить на это определенную энергию.

	Рассмотрим изменение энергетического состояния атома на графике (рис.4.4). Атому, находящемуся в исходном положении 1, для перехода в положение 3 необходимо пройти через промежуточное положение 2, но для этого необходимо затратить энергию U, чтобы вырвать атом из его устойчивого
Рис.4.4. Изменение энергетического состояния атома

положения. Энергия U, необходимая для преодоления потенциального (энергетического) барьера, создаваемого соседними атомами, называется энергией активации данного атомного перемещения и является важнейшей характеристикой способности атомов к тому или другому виду перемещения. Величина эта определяется природой вещества.

Энергия активации для каждого атомного механизма различная. Например, по опубликованным данным самодиффузия меди характеризуется следующими значениями энергии активации процессов для заполнения вакансии U₀^III = 268 кДж/г. ат.; для перемещения межузельного атома U₀^II = 966 кДж/г. ат.; для образования "пары Френкеля" U₀^I = 1680 кДж/г. ат.

Большая разница в значениях энергии активации приводит к тому, что диффузия реально протекает в основном путем "дырочного механизма". Значение других способов перемещения, как правило, мало, если нет особых условий для их поощрения. Такие особые условия возникают, например, при нейтронном облучении кристаллических тел. Столкновение нейтронов с ионами кристалла приводит к явлениям, сходным с образованием пар Френкеля.