1.3. Дефекты кристаллических тел

В идеальных кристаллах дальний порядок охватывает все ато­мы. Однако в реальных кристаллах всегда существует огромное коли­чество структурных нарушений, обычно называемых несовершенст­вами, или дефектами.

Существует две основных причины возникновения дефектов в кристаллах. Первая обусловлена тепловым движением частиц, фор­мирующих кристалл. С повышением температуры твердого тела энер­гия такого движения растет, возрастает и вероятность образования этих дефектов, обычно называемых собственными, или тепловыми. Другой вид дефектов связан с наличием в структуре веществ приме­сей. Дефекты могут возникать также и как следствие воздействия ме­ханических нагрузок (трещины, микродефекты).

а)

б)

В зависимости от геометрии дефекты подразделяются: на то­чечные, линейные, поверхностные и объемные. Размеры точечных дефектов соизмеримы с межатомным расстоянием (рис. 1.4). Длина линейных дефектов во много раз превышает размеры поперечного се­чения. У поверхностных дефектов длина и ширина их значительно превосходят толщину. Объемные дефекты имеют значительные раз­меры во всех трех измерениях (поры, трещины).

в) г)

Рис. 1.4. Точечные дефекты и схемы искажения около них кристаллической решетки: а - вакансия; б - дислоцированный атом; в, г - примесные атомы

Точечные дефекты возникают тогда, когда отдельные, изолиро­ванные атомы, молекулы или ионы, приобретающие повышенный запас кинетической энергии, покидают узлы кристаллической решетки и пе­реходят в междоузлия или на поверхность кристалла, оставляя в решетке незаполненный узел, называемый вакансией. Если элемент вырывается вблизи поверхности кристалла, то он достигает ее и может принять участие в дальнейшем росте кристалла (дефект по Шоттке). Если же элемент покидает свое место внутри кристалла и переходит в междоузлие, то этот дефект называется дефектом по Френкелю.

Вышедший из равновесного положения в междоузлие атом при­нято называть дислоцированным. Наряду с повышением температу­ры, возникновению точечных дефектов способствуют большие рас­стояния между узлами их решеток, а также малые размеры самих частиц. Образовавшуюся вакансию может занять другой элемент ре­шетки, таким образом может происходить как бы перемещение ва­кансий. Это явление существенно сказывается на свойствах, которые связаны с движением элементов решетки, таких как электропровод­ность и диффузия.

На свойства твердых тел значительное влияние оказывают при­месные дефекты, при образовании которых частицы примесей (моле­кулы, атомы или ионы) располагаются в узлах решетки, вытесняя из нее частицы основного вещества, или занимают место в междоузлиях. В определенных условиях атомы примесей могут ионизироваться, существенно изменяя свойства кристалла. Этот эффект используется широко в полупроводниковой технике. Точечные дефекты приводят к локальному изменению межатомных расстояний, что приводит к некоторому упрочнению кристаллов и повышению их электриче­ского сопротивления. Точечные дефекты вызывают искажение ре­шетки, которые распространяются во все стороны от дефекта по ра­диусу примерно на пять межатомных расстояний.

Более сложным видом нарушения структуры кристалла являют­ся линейные дефекты, называемые дислокациями. Для линейных де­фектов характерны малые размеры в двух измерениях, но значитель­ные протяженности в третьем измерении. Возникновение дислокаций обусловлено нарушением положения целой группы частиц, разме­щенных вдоль какой-либо воображаемой линии в кристалле. Возник­новение их требует большой энергии. Появляются они, как правило, в процессе выращивания кристаллов. Различают краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация возникает за счет появления новой атомной плоскости (PP'Q'Q) в решетке (рис.1.5, а), а винтовая обра­зуется за счет смещения микрочастиц в одной части кристалла отно­сительно другой, в результате чего вокруг линии дислокации (EF) об­разуется винтообразная плоскость (рис. 1.5, б). Линия дислокации EF отделяет ту часть плоскости скольжения, в которой сдвиг уже завер­шился, от части, где сдвиг еще не происходил.

Дислокации образуются как при кристаллизации металлов, так и при пластическом деформировании и фазовых превращениях. Энер­гию искажения кристаллической решетки характеризуют с помощью вектора Бюргерса. Для краевой дислокации он равен межатомному расстоянию и перпендикулярен линии дислокации. Для винтовой дислокации он тоже равен одному межатомному расстоянию, но на­правлен вдоль линии дислокации. Если экстраплоскость находится

в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной, в нижней - отрицательной. При завимодействии дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного - притягиваются.

ние на прочностные свойства металлов (рис. 1.6). Вследствие наличия дислокаций в металлах их фактическая прочность на 2...3 порядка ниже теоретической. Сам процесс пластического деформирования опи­сывается перемещением дислокаций в плоскости сдвига, а не смещени­ем одной части кристалла относительно другой, на что требуется значи­тельно меньше энергии. В результате перемещения дислокации выходят на поверхность и исчезают, а на поверхности возникают ступеньки скольжения. Дислокации легко перемещаются в направлении перпен­дикулярном экстраплоскости. При наличии дислокаций в разных плоскостях и направлениях во время движения они взаимодействуют друг с другом, мешая свободному перемещению. Часть из них анни­гилируют (взаимно уничтожаются). С повышением плотности дисло­каций появляется больше препятствий для движения дислокаций, что требует больших усилий для деформирования металла, т. е. металл упрочняется. Снижению подвижности дислокаций способствует так­же понижение температуры. При низких температурах металл стано­вится прочнее, но более хрупким. Дислокации оказывают существен­ное влияние на процессы фазовых превращений, кристаллизации,

а) б)

Рис. 1.5. Кривая и винтовая дислокации

12

выполняя функции центров образования второй фазы из твердого рас­твора. Дислокации способствуют повышению пластичности кристал­лов, т. к. снижают затраты энергии на их деформирование. Наличие дислокаций ускоряет диффузионные процессы, способствует скопле­нию примесных атомов, образующих вокруг дислокации зону повы­шенной их концентрации, так называемую атмосферу Коттрела, соз­дающую препятствие для движения дислокаций, что способствует упрочнению материала.

Рис. 1.6. Влияние искажения кристаллической решетки на прочность кристалла

Из рис. 1.6 следует, что существует два пути увеличения проч­ности металлов: 1) создание материалов с минимальным количеством дефектов (выращивание нитевидных кристаллов, называемых усами); 2) увеличение плотности дислокаций и создание других несовершенств кристаллического строения, тормозящих движение дислокаций (раство­рение в металлах примесей и легирующих элементов, измельчение зерна при термической и химикотермической обработке и т. д.).

Еще более сложным видом искажений кристалла являются по­верхностные дефекты, имеющие малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Ими являются границы между зер­нами, фрагменты внутри зерен и др. Границы между зернами пред­ставляют собой узкую переходную зону толщиной 5.. .10 атомных рас­стояний с нарушенным порядком в расположении атомов (рис. 1.7).

Границы зерен являются препятствием для движения дислокаций и местом повышенной концентрации примесей. Вещество на границе зерен и блоков, как правило, обладает повышенной реакционной спо­собностью и может существенно отличаться по химическому составу от объема зерна. Вдоль границ зерен более интенсивно протекают диффузионные процессы. Наличие дислокаций и поверхностных де­фектов в реальных кристаллах сильно сказывается на механических свойствах твердых тел.

Рис. 1.7. Схема строения зерен и границы между ними

Кроме перечисленных микродефектов в металлических издели­ях имеются макродефекты объемного характера со значительными размерами во всех трех измерениях. К ним относятся поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины и др., которые снижают прочностные характеристики материалов.

1