2.1 Термодинамика образования точечных дефектов

N – количество атомов в кристалле;

n – количество дефектов.

Количество способов, которыми можно удалить n атомов из узлов кристаллической решётки, будет определяться такой величиной:

Если E – энергия образования дефекта, то энергия кристалла изменится на величину nE.

Изменение энтропии (мера беспорядка).

_где – изменение свободной энергии.

Система устойчива,

Согласно формуле Стирлинга,

–бездефектный кристалл т/д возможен лишь при абсолютном нуле. При всех других температурах реальное твёрдое тело будет иметь дефекты: в реальном кристалле возникают и исчезают вакансии.

В основном атомы обладают энергией, значительно меньшей энергии образования вакансий. Однако благодаря флуктуации энергии (случайного отклонения от равновесного распределения) в системе находятся атомы, способные образовать вакансии:

Количество вакансий очень сильно зависит от температуры. Для алюминия:

при T = 300 K – на 10¹² атомов 1 вакансия;

при Т_плавл = 660 – на 1000 атомов 1 вакансия.

Атомы внедрения – избыточные атомы, проникающие в решётку, но не занимающие её узлов. Сторонние атомы внедрения называются примесями.

дефект по Шоттки

дефект по Френкелю (вакансия + атом внедрения)

Энергия образования атомов внедрения 3-5 эВ.

где величина z – небольшое целое число, характеризующее число междоузлий возле атомов.

Внедрённая примесь возникает в результате проникновения посторонних атомов в междоузлие кристаллической решётки. Проникновение примесей особенно характерно при небольших размерах атомов, напр., O₂, H₂.

Образование точечных дефектов.

1. Нагрев до высокой температуры и резкое охлаждение – закалка.

2. Механическая деформация.

3. Облучение.

2.2 Взаимодействие точечных дефектов

1. Точечные дефекты способны самоуничтожаться, то есть аннигилировать (атом внедрения + вакансия).

2. Вакансии могут взаимодействовать между собой с образованием бивакансий, тривакансий и т. д. Поскольку концентрация вакансий мала, к их взаимодействию применим закон действующих масс.

Дальнейшее объединение вакансий даёт кластеры вплоть до макрообразований, таких как поры и каверны. Междоузельные атомы (атомы внедрения) при взаимодействии образуют сгущения, называемые краудион.

2.3 Дислокации

Структурный дефект, возникающий под действием напряжения сдвига и приводящий к образованию лишней полуплоскости относительно плоскости скольжения, называется дислокацией. Контуры ABCD и ABCDE называют контурами Бюргерса, при наличии дислокации контур замыкается вектором (вектор Бюргерса). В неискажённой решётке его величина равна нулю. Вектор Бюргерса определяет энергию дислокациии силу, необходимую для сдвига дислокации

Канал диаметром 5 - 10 A вдоль оси дислокации сосредотачивает в себе практически всю энергию дислокации, в нём наблюдаются максимальные искажения кристаллической решётки. При повторном наложении напряжения сдвига дислокация приходит в движение, и её положение изменяется на одно атомное расстояние.

Дислокации подразделяются:

– на краевые (см. рис. выше);

– винтовые.

Для краевой дислокации выполняется соотношение

где – вектор сдвига.

–винтовая дислокация.

Винтовые дислокации бывают:

– правовращающие;

– левовращающие.

Протяжённость дислокаций в твёрдых телах очень велика. В обожжённых материалах длина дислокаций составляет В необожженных и деформированных материалах длина дислокаций10¹⁵- 10¹⁶ м/м³. По этой причине в дислокациях сосредоточена практически вся энергия пластической деформации материала.