1.2. Дефекты кристаллической решётки. Их влияние на свойства материалов

Дефектами называют нарушения совершенной решётки идеального кристалла. Классификация структурных дефектов проводится по их пространственной протяжённости. Различают: точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (2-х мерные) и объёмные (3-х мерные) дефекты.

Точечные дефекты имеют атомарные размеры, поэтому их называют атомными. К ним относятся: дефекты по Френкелю, представляющие собой комплекс вакансия (отсутствие атома в узле) – междуузельный атом и дефекты по Шоттки – вакансия (рис.1.5). Первые образуются, когда атом уходит из своего узла в междуузлие, вторые, когда он оставляет вакансию и выходит на поверхность. Точечные дефекты принципиально отличаются от всех других тем, что они находятся в тепловом равновесии с решёткой.

Рис.1.5. Структура точечных дефектов

Их концентрация определяется выражениями:

где N и N’ – концентрации атомов и междуузлий, соответственно; Еф, Еш – энергии образования дефектов. Видимо, что при любой температуре>0K имеется определённая равновесная концентрация этих дефектов. Поэтому эти неупорядоченности структуры называются собственными или термическими. С ростом температуры n_ф и n_ш растёт и при Т ≈ Тпл могут составлять 1% от числа атомов. Точечные дефекты влияют на электрические, магнитные свойства, массоперенос (диффузию).

К линейным дефектам относятся краевые и винтовые дислокации. Под дислокацией понимают линию, отделявшую область кристалла, претерпевшую сдвиг от несдвинутой. Вектор Бюргерса (рис.1.6) даёт величину и направление сдвига и является мерой дислокации. Различают полные ( - период решётки) и частичные b<a дислокации. Дислокации возникают при механической нагрузке и входе роста кристалла, а не за счёт чисто теплового движения атомов в бездефектном материале.

Рис.1.6. Краевая (а) и винтовая (б) дислокации

Точечные и линейные дефекты взаимодействуют между собой. Скопление вакансий может приводить к появлению дислокации, а при аннигиляции дислокаций разного знака могут возникнуть вакансии или микрокаверны. Дислокации могут двигаться вдоль плоскостей скольжения и перпендикулярно к ним, что повышает способность материала пластически деформироваться.

Дислокации являются геттерами (накопителями) других дефектов и примесных атомов. Они влияют на прочность и пластичность, электрические, магнитные и оптические свойства, определяют характер роста кристаллов.

К поверхностным дефектам относятся границы зёрен, дефекты упаковки и двойники. Границами зёрен разделяются участки кристалла с разной ориентацией. Различают малоугловые (разориентация от минут до 10 градусов) границы, состоящие из дислокаций и многоугловые (более 10 градусов), когда на границе образуется жидкообразный слой. Дефекты упаковки (нарушение порядка следования слоёв при построении структуры) наблюдаются преимущественно в металлических слоистых решётках с плотной упаковкой атомов.

Двойники, возникающие при росте (двойники роста) или при механическом воздействии (механическое двойникование), представляет собой зеркальное отражение участка кристалла в двойниковой плоскости (рис.1.7).

К объёмным дефектам относятся микротрещины, микрокаверны, поры, инородные включения, скопление точечных дефектов (кластеры).

Рис.1.7. Структура двойника

К структурно нечувствительным относятся: плотность и модуль упругости (определяется силами межатомных взаимодействий), тепловые свойства (Т_пл, _l,  и др.), магнитные свойства диа- и парамагнетиков, ядерные и некоторые оптические свойства.

Структурно-чувствительными являются: сопротивление разрушению, пластичность,  полупроводников и металлов, магнитные свойства ферро- и ферримагнетиков, коэффициенты поглощения и пропускания и др..

Что касается прочности свойств реальных металлов и сплавов, то они значительно меньше теоретических значений, рассчитанных по силам межатомных взаимодействий. Например, для монокристалла Fe теоретическое сопротивление сдвигу 2300 МПа, а экспериментально измеренное – 40 МПа. Для Al фактическое сопротивление сдвигу в 500 раз меньше расчётного. Лишь в бездислокационных нитевидных монокристаллах (усах) достигнуты физические (ρ, μ) и механические (δ_В, ε) свойства, приближающиеся к нижнему пределу теоретических значений.

Относительно невысокое значение скалывающих напряжений связано с тем, что процесс пластической деформации в реальных кристаллах развивается не одновременно по всему объёму, а последовательно посредством перемещения дислокаций. Для этого требуются значительно меньше напряжения, поскольку через критическое положение в этом случае перемещается только один атом. Как видно из рис.1.8 движение дислокаций поперёк кристалла соответствует относительному смещению двух его частей на одно межатомное расстояние. Винтовые дислокации так же способны двигаться под действием внешних сил.

Рис.1.8. Участие дислокации в пластической деформации кристалла

Значительное снижение прочности вызывается наличием внутренних и поверхностных трещин, раковин, границ и двойников. При нагрузке в области этих дефектов возникают пики напряжений, что приводит к местному преодолению связей, т.е. зарождению разрушения или деформации.

Для повышения прочности материала, кроме выращивания бездефектных монокристаллов, применяется легирование, термо- и механотермическая обработки. Это даёт возможность ограничить движение дислокаций, увеличивая число дефектов, т.е. заставляя более эффективно работать атомные связи. Зависимость σ_В (предела прочности) от числа дефектов структуры изображена на рис.1.9, где І – теоретическая σ_В и прочность нитевидных бездефектных монокристаллов (усов); ІІ – чистые неупрочненные металлы; ІІІ – упрочненные легированием и термообработкой металлы.

Рис.1.9. Влияние дефектов на прочностные свойства материалов