3. Дефекти кристалічної будови
Кристалічна будова реальних металів і сплавів не є ідеальною, тобто періодичність розташування атомів (іонів) у кристалічній гратці порушується численними дефектами — недосконалостями її будови. До них належать точкові, лінійні та поверхневі мікродефекти. Існують також об'ємні макродефекти.
3.1 Точкові дефекти
Ці дефекти мають невеликі розміри в усіх трьох вимірах - не більше кількох діаметрів атомів. До точкових дефектів належать вакансії, міжвузлові та атоми домішок та їхні комплекси.
Вакансія - це не зайняте атомом місце у вузлі кристалічної ґратки. За моделлю Я. Френкеля, виникнення вакансій може відбуватися внаслідок флуктуаційних процесів переходу атомів кристала з вузла ґратки у міжвузлове положення, при цьому виникає парний дефект Френкеля, що складається з вакансії та між вузлового атома (мал. 1.15, а). За моделлю Шотткі, вакансії можуть утворюватися при переході атома з вузла гратки на поверхню кристала чи шляхом його повного випаровування з поверхні (мал. 1.15, б). У вільний вузол ґратки може переміщуватися інший атом, залишаючи нове вакантне місце, тобто відбуватиметься міграція вакансій. Цей процес відіграє важливу роль при дифузії та самодифузії, при повзучості металу тощо.
Н
авколо
незайнятого вузла, між вузлового чи
домішкового атома кристалічна гратка
викривляється, тому точковий дефект
розглядають як центр стиснення чи
розширення в пружному середовищі (мал.
1.16).
Завдяки тепловим коливанням атомів у гратці вакансії та між вузлові атоми наявні у кристалах при будь-якій температурі, що вище від абсолютного нуля. Такі вакансії називають тепловими, на відміну від тих, що можуть утворитися під впливом пластичного деформування, бомбардування поверхні кристала частинками високої енергії чи опромінювання жорстким випромінюванням.
Кожній температурі Т відповідає рівноважна концентрація вакансій, яку можна визначити за формулою:
n/N = e-E/kT, (1.5)
де n - кількість вакансій у кристалі з N атомами;
k - константа Больцмана;
Е енергія утворення однієї вакансії.
Звідси виходить, що співвідношення n/N, яке відповідає рівноважній концентрації вакансій, експоненційно залежить від температури. Наприклад, якщо для енергії утворення вакансій у міді взяти значення 1,1 еВ, рівноважна концентрація вакансій буде змінюватися від 10-19 при 300 К до 10-4 при 1350 К.
Незаповненість атомами певної частини вузлів кристалічної ґратки при будь-яких температурах, вищих від абсолютного нуля, покладено в основу вакансійного механізму дифузії. Домішкові атоми можуть переміщуватися в ці вакантні вузли. Встановлено, що при русі атомів домішкових елементів у твердих розчинах заміщення найбільш ймовірно реалізується саме вакансійний механізм, тоді як атоми домішок проникнення (вуглець, азот) мігрують при дифузії по меживузлях, тобто реалізується міжвузловий механізм дифузії.
Швидке охолодження від високих температур фіксує вакансії при кімнатній температурі, і метал ними пересичується. При нагріванні ці надлишкові вакансії мігрують до стоків - меж зерен і блоків, інших дефектів. У результаті концентрація вакансій наближається до рівноважної. Як наслідок концентрації надлишкових вакансій, можливе утворення дифузійної пористості і, зрештою, мікропористості.
При взаємодії точкових дефектів можливе утворення не лише пари вакансія - міжвузловий атом, але й пари вакансія — вакансія (дивакансія). Енергетичне вигідним є також комплекс з чотирьох вакансій, які в ГЦК - гратці можуть утворювати тетраедричну конфігурацію. До інших комплексів точкових дефектів належать: пара вакансія - атом домішки, пара міжвузлових атомів (гантель), ланцюжок основних атомів з підвищеною густиною у певному напрямку кристалічної ґратки (краудіон).