5. Дефекти кристалічних решіток металів

У будь-якому реальному кристалі завжди маються дефекти будівлі. Дефекти кристалічної будівлі підрозділяються по геометричних ознаках на крапкові (нульмірні), лінійні (одномірні) і поверхневі (двовимірні).

Крапкові дефекти (рис. 1) малі у всіх трьох вимірах і розміри їх не перевищують декількох атомних діаметрів. До крапкових дефектів відносяться: вакансії (дефекти Шоткі), тобто вузли решіток, у яких атоми відсутні (див. рис. 1). Вакансії частіше утворяться в результаті переходу атома з вузла решітки на поверхню або повний випар з поверхні кристала і рідше в результаті їхнього переходу в міжвузля.

У кристалі завжди маються атоми, кінематична енергія яких значно вище середній, властивій заданій температурі нагрівання. Такі атоми, особливо розташовані поблизу поверхні, можуть вийти на поверхню кристала, а їхнє місце займуть атоми, що знаходяться далі від поверхні, а вузли, що належали їм, виявляться вільними, тобто виникнуть теплові вакансії.

Джерелами теплових вакансій, тобто виникаючих при нагріванні, є вільні поверхні, границі зерен, порожнечі і тріщини. З підвищенням температури концентрація вакансій зростає. Кількість вакансій при температурі, близької до плавлення, може досягати 1 % стосовно числа атомів у кристалі. Швидким охолодженням від даної температури можна зафіксувати ці вакансії при нормальній температурі (так називані гартівні вакансії). Кристал, що знаходиться при даній температурі в термодинамічній рівновазі, має рівноважну концентрацію теплових вакансій. При даній температурі в кристалі створюються не тільки одиночні вакансії (див. рис. 1), але і подвійні, потрійні і їхні угруповання. Більшість вакансій є подвійними. Вакансії утворяться не тільки в результаті нагрівання, але й у процесі пластичної деформації, рекристалізації і при бомбардуванні металу атомами або частками високих енергій (опромінення в циклотроні або нейтронне опромінення в ядерному реакторі).

Рис. 1. Крапкові дефекти

Міжвузельні атоми (дефекти Френкеля). Ці дефекти утворяться в результаті переходу атома з вузла решітки у міжвузля (див. рис. 1). На місці атома, що вийшов з вузла решітки у міжвузля, утвориться вакансія. У щільноупакованих решітках, характерних для більшості металів, енергія утворення міжвузельних атомів у кілька разів більше енергії утворення теплових вакансій. У результаті в металах дуже важко виникають міжвузельні атоми й основні крапкові дефекти є теплові вакансії.

Крапкові недосконалості кристалічних решіток з'являються як результат присутності атомів домішок, що, як правило, маються навіть у самому чистому металі. Крапкові дефекти викликають місцеве перекручування кристалічних решіток (див. рис. 1). Зсуву (релаксація) навколо вакансії виникають звичайно в перших двох шарах сусідніх атомів і складають частки міжатомного відстані. Навколо міжвузельного атома в щільноупакованих решітках зсув сусідів значно більше, ніж навколо вакансій. Крапкові дефекти Шотки і Френкеля впливають на деякі фізичні властивості металу (електропровідність, магнітні властивості і ін.), а також на фазові перетворення в металах і сплавах.

Лінійні дефекти. Лінійні недосконалості мають малі розміри в двох вимірах і великій довжині в третьому вимірі. Цими недосконалостями можуть бути ряд вакансій або ряд міжвузельних атомів. Особливим і найважливішим видом лінійних недосконалостей є дислокації.