2.2 Дефекты кристаллического строения

Пространственная решетка описывает расположение атомов в идеальном кристалле. Но реальные кристаллы отличаются от идеальных наличием дефектов кристаллического строения. Эти дефекты можно классифицировать по геометрическим признакам. При этом считают, в скольких измерениях размеры дефекта (области упругих искажений кристаллической решетки) соизмеримы с размерами кристалла. По этим признакам выделяют дефекты нульмерные или точечные, одномерные или линейные, двумерные или поверхностные и трехмерные или объемные.

Точечные дефекты могут быть собственными, либо примесными. К собственным дефектам обносятся вакансии - отсутствие атома в узле кристаллической решетки (рис. 2.2, а), создающие вокруг себя зону упругой деформации, соответствующей растяжению, а так же межузельные атомы, расположенные не в узлах кристаллической решетки, а в междоузельных участках и создающие вокруг себя зону упругой деформации, соответствующую сжатию (рис. 2.2, б).

Примесные дефекты - это атомы другого сорта, находящиеся в кристаллической решетке, построенной из базовых атомов и расположенной в ней по типу замещения (в узлах), либо внедрения (в междоузлиях), Создавая при этом области упругой деформации кристаллической решетки. Такие области, сопутствующие наличию любых точечных дефектов, препятствуют пластической деформации, движению свободных электронов в металлах и изменяют физические и механические свойства кристаллов. Поэтому, целенаправленно изменяя количество таких дефектов, можно регулировать и свойства кристаллических материалов.

2.3 Линейные дефектыМарчук с.И., Петрущак с.В. Конспект лекций по курсу «Материаловедение»…

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях и имеют весьма значительную протяженность в третьем измерении. Название этих дефектов - дислокации, они бывают двух видов - краевые и винтовые (рис. 2.3).

Теория дислокаций была впервые разработана в 30-х годах 20 века физиками Орованом, Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристаллических тел. Оказалось, что теоретическая прочность кристаллов, рассчитанная на основании величины сил связи между атомами в идеальных кристаллах на 4 порядка больше, чем реальные напряжения, необходимые для начала пластической деформации в металлах. Объяснить эту разницу удалось только с помощью теории дислокаций. Таким образом наличие дислокаций в кристаллах было предсказано гораздо раньше (почти на 20 лет), чем выявлено с помощью электронного микроскопа.

Краевая дислокация - это линейный дефект, связанный с тем, что некоторые кристаллографические плоскости обрываются внутри кристалла (рис). Такая часть плоскости в кристалле называется экстраплоскостью, а край экстраплоскости, вокруг которого образуется зона упругих искажений - линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то ее условно считают положительной, а если в нижней - то отрицательной. Над краем положительной экстраплоскости образуется зона упругого сжатия, а под краем - растяжения. Из-за этого дислокации взаимодействуют между собой и с точечными дефектами, что приводит к определенным изменениям в структуре и свойствах кристаллических тел.

Винтовые дислокации можно себе представить, как результат частичного сдвига (рис) атомных слоев по плоскости Q который нарушает параллельность атомных слоев. Кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии EF. Эта линия и является линией дислокации и отделяет ту часть кристалла, где сдвиг произошел, от остальной части. Вблизи линии дислокации кристаллическая решетка искажена из-за смещения атомов со своих мест, что вызывает возникновение полей упругих напряжений.

Степень искаженности кристаллической решетки вокруг дислокации можно охарактеризовать с помощью вектора Бюргерса, который получают путем сравнения замкнутого контура, построенного вокруг линии дислокации, и аналогичного контура в идеальной кристаллической решетке (рис).

Одним из основных свойств дислокаций, позволяющих объяснить явление пластической деформации в металлах, является их чрезвычайная подвижность. Так, например, краевая дислокация очень легко перемещается путем скольжения. Под действием внешних, либо внутренних напряжений, экстраплоскость может "забрать" себе продолжение у соседней плоскости (рис), сделав ее экстраплоскостью. Этот процесс продолжается до тех пор, пока экстраплоскость не выйдет на поверхность кристалла, т.е. пока добывать себе продолжение станет негде. При этом каждый участвующий в процессе атом совершает перемещения намного меньшие, чем межатомные расстояния, а дислокация эстафетным механизмом перемещается через весь кристалл. Путем последовательного перемещения дислокаций и происходит пластическая деформация, причем во время пластической деформации количество дислокаций не уменьшается, а увеличивается во много раз. Под плотностью дислокаций  понимают суммарную протяженность дис­локационных линий в единице объема кристалла и измеряют эту величину в см/см³ т.е. в см ^-2. Так для металлов в равновесном состоянии плотность дислокаций составляет 10⁴ - 10⁶ см ^-2 или от 100 м до 10 км в кубическом сантиметре, а у деформированных металлов эта величина достигает 10¹¹-10¹² см ^-2, или 1-10 млн. км в одном см³.