1.6 Анизотропия кристаллов

Анизотропия – это зависимость свойств материала от направления. Материал считается изотропным, когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считается анизотропным.

Анизотропия характерна для кристаллов и обусловлена их упорядоченной структурой. В кристаллах в различных направлениях атомы располагаются с различной плотностью, т.е. на различном расстоянии друг от друга, что отражается на силе взаимодействия атомов. Как следствие, свойства кристаллов в различных направлениях оказываются различными. Например, в кубическом кристалле в направлении координатных осей атомы вещества располагаются на расстоянии друг от друга равном а (рис.1). В направлении диагонали атомы располагаются на расстоянии а, а в направлении пространственной диагонали – а. Очевидно, такой кристалл легче разорвать в направлении пространственной диагонали, чем в направлении координатных осей, где он обнаруживает наибольшую прочность из-за того, что атомы расположены ближе и сильнее взаимодействуют.

Анизотропия распространяется практически на все свойства кристаллов. Так, кристалл в одном направлении лучше, чем в другом может проводить тепло, электрический ток, свет, лучше намагничиваться и т.д. При этом, чем ниже система симметрии кристалла, тем сильнее проявляется анизотропия его свойств.

В аморфных материалах, из-за хаотического внутреннего строения, атомы в различных направлениях располагаются примерно с одинаковой плотностью. В результате свойства данных материалов в различных направлениях оказываются одинаковыми, т.е. вещество оказывается изотропным.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, также очень часто обнаруживают равенство свойств в различных направлениях, хотя и являются материалами кристаллическими, а не аморфными. Это объясняется их зернистым строением. Зёрна данных материалов, будучи кристаллами, в различных направлениях обнаруживают различные свойства, однако в целом материал оказывается изотропным, поскольку зёрна случайным образом ориентированы в пространстве и при сложении свойств в каждом направлении получается примерно одна, усреднённая величина. Такую изотропию называют ложной изотропией или квазиизотропией.

Иногда зёрна поликристаллических материалов оказываются ориентированными преимущественно в одном направлении. Например, зёрна металлов и сплавов при пластическом деформировании вытягиваются в направлении деформации. Такое явление называют текстурой. При появлении текстуры свойства кристаллических материалов вновь начинают зависеть от направления, т.е. материал оказывается анизотропным.

1.7 Дефекты кристаллической структуры

Структура реальных кристаллов не является идеально симметричной. В реальных кристаллах всегда имеются те или иные отклонения от периодичности расположения атомов. Эти нарушения порядка называют дефектами кристаллической структуры.

Дефекты кристаллической структуры, в зависимости от размеров, подразделяют на точечные, линейные, поверхностные и объёмные.

Точечные дефекты кристаллической структуры во всех трёх измерениях имеют размеры сравнимые с межатомным расстоянием, т.е. порядка одного нанометра. К точечным дефектам структуры относятся вакансии, межузельные атомы и атомы примесей.

Вакансией называют незанятое атомом свободное место в узле кристаллической решётки. Межузельным называют атом, смещённый из узла кристаллической решётки в положение между узлами (рис.3). Данные дефекты возникают, как правило, парами, поскольку смещение атома в межузельное положение сопровождается появлением вакансии.

Примесные атомы – это инородные атомы, которые размещаются либо в узлах кристаллической решётки (примесные атомы замещения), либо в межузельном пространстве (примесные атомы внедрения).

В – вакансия;

МА – межузельный

атом;

ПАЗ – примесный атом

замещения;

ПАВ – примесный атом

внедрения.

Рис. 3. Точечные дефекты кристаллической структуры.

Вакансии и межузельные атомы непрерывно появляются в кристаллах за счёт энергии тепловых колебаний атомов. Они относительно свободно перемещаются по кристаллу и могут встречаться друг с другом. При встрече межузельного атома с вакансией возможна рекомбинация, т.е. замещение вакантного места межузельным атомом. Дефекты также могут исчезать на любых свободных поверхностях кристалла: на порах, границах зёрен, микротрещинах, которые называют стоками дефектов. Процессы непрерывной рекомбинации, а также исчезновения дефектов на стоках, уравновешиваются процессами их генерации так, что в кристалле всегда поддерживается некоторая равновесная концентрация точечных дефектов. Чем выше температура кристалла, тем выше эта равновесная концентрация дефектов.

Вакансии и межузельные атомы обычно не оказывают заметного влияния на механические свойства материалов, поскольку искажения, вносимые ими в структуру, имеют очень маленький размер. Однако, при возрастании концентрации данных дефектов до значений, значительно превышающих равновесное, это влияние становиться более заметным. Например, при бомбардировке материалов потоком высокоэнергетичных частиц в их поверхностном слое образуется большое число точечных радиационных дефектов, что приводит к существенному изменению поверхностных свойств материала. Имеются сведения о повышении твёрдости и износостойкости облучённой поверхности. Изменяются и другие характеристики облучённых материалов.

Поскольку все точечные дефекты, и особенно примесные атомы, препятствуют прохождению электрического тока через металлические материалы, возрастание их концентрации в металлах приводит к повышению электросопротивления.

Линейные дефекты кристаллической структуры в двух измерениях имеют размеры, сравнимые с межатомным расстоянием, а в третьем измерении простираются на многие сотни и тысячи периодов кристаллической решётки. К линейным дефектам структуры относят краевые и винтовые дислокации.

Краевую дислокацию образует край АА' «лишней» атомной полуплоскости, называемой экстраплоскостью (рис. 4).

Рис.4. Краевая дислокация.

Если экстраплоскость располагается в верхней части кристалла, то соответствующую дислокацию обозначают значком «», а если в нижней, то знаком «┬». Вдоль линии дислокации кристаллическая структура материала искажена, однако на расстоянии всего в несколько периодов кристаллической решётки от данной линии искажений структуры уже не наблюдается. Линия краевой дислокации обычно бывает изогнутой, а не прямой. Форма этой линии под воздействием внешних и внутренних факторов может изменяться, так же как и её местоположение в кристалле.

Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой его части, происходящий по некоторой плоскости скольжения – ПС (рис.5). Линию L, лежащую в этой плоскости и отделяющую ту её часть, где сдвиг уже произошел от той её части, где сдвиг ещё не происходил, называют линией винтовой дислокации. Кристалл как бы закручивается в спираль вокруг этой линии. Если закручивание происходит по часовой стрелке, то соответствующую дислокацию называют правой, если против часовой стрелки – то левой.

Рис. 5. Винтовая дислокация.

Линия любой отдельной дислокации не может обрываться внутри кристалла. Она либо выходит на поверхность кристалла, в частности на границы зёрен, либо замыкается сама на себя, образуя дислокационную петлю. Под плотностью дислокаций понимают суммарную протяжённость всех дислокаций, находящихся в единице объёма материала:

, (1)

где l_i – длина отдельной дислокации; N – общее число дислокаций в материале; V – объём материала. Единицей измерения ρ является см/см³ или см^-2.

Равновесная плотность дислокаций в полупроводниковых кристаллах находится в пределах 10⁴ 10⁵ см^–2, а в металлах – 10⁶ 10⁸ см^–2.

В определённых условиях дислокации, также как и точечные дефекты, способны перемещаться по кристаллу. При этом дислокации одного знака отталкиваются друг от друга, а противоположенных знаков – притягиваются. При встрече двух дислокаций противоположенных знаков может произойти их аннигиляция, т.е. взаимоуничтожение. Под воздействием внешних нагрузок, вызывающих пластическую деформацию материала, происходит перемещение дислокаций в сторону свободных поверхностей кристалла. Вместо вышедших на поверхность, а также аннигилировавших дислокаций, в деформируемом материале нарождаются новые дислокации.

Дислокации, благодаря их значительной протяжённости, оказывают существенное влияние на механические свойства материалов. Они играют важную роль в механизме пластического деформирования материалов. При пластической деформации материалов наблюдается сдвиг атомных слоёв относительно друг друга и дислокации способствуют этому процессу. Благодаря дислокациям атомные слои могут смещаться относительно друг друга не сразу целиком, а поэтапно, т.е. атомными рядами. Такой поэтапный сдвиг атомных слоёв выглядит как движение дислокаций в противоположенном направлении и требует при деформировании значительно меньших усилий.

Учитывая вышесказанное можно утверждать, что металлы и сплавы своей высокой пластичностью обязаны наличию в них достаточно большого количества подвижных дислокаций. Под воздействием холодной пластической деформации плотность дислокаций в металлах возрастает до 10¹¹10¹² см ^–2. При такой высокой плотности дислокации начинают интенсивно взаимодействовать и мешать друг другу, что приводит к ограничению их подвижности. В результате металл становится менее пластичным и более прочным. Такое явление называют наклёпом.

Поверхностные дефекты кристаллической структуры в одном из измерений имеют размеры, сравнимые с межатомным расстоянием, а в двух других измерениях простираются на многие сотни и тысячи межатомных расстояний. К поверхностным дефектам структуры относят границы зёрен, фрагментов и блоков. Указанные границы являются местом скопления всевозможных точечных и линейных дефектов. Они выглядят как дислокационные стенки, разделяющие кристаллический материал на участки (рис.6).

Рис.6. Дислокационная стенка.

Порядок расположения атомов в зоне границ сильно нарушен. Это наиболее дефектная область материала. По границам зёрен обычно распространяются трещины, разрушающие металлический материал, а также более активно идут процессы взаимодействия металла с химически активными веществами, в частности, процессы окисления, а также травления кислотами.

Поверхностные дефекты оказывают существенное влияние на свойства материалов. Они, в частности, способствуют процессам диффузии, но препятствуют процессу прохождения электрического тока через материал. Для механических свойств особое значение имеет общая протяженность межзёренных границ в единице объёма, т.е. плотность границ. С уменьшением размера зёрен, а, следовательно, увеличением плотности их границ, увеличиваются вязкость, пластичность и прочность металлических материалов.

Объёмные дефекты структуры имеют значительные размеры во всех трех измерениях. К объёмным дефектам структуры относят всевозможные поры, инородные включения, выбоины и царапины на поверхности, микротрещины и т.п. При разрушении материалов объёмные дефекты обычно играют роль концентраторов напряжений и источников трещин, а поэтому являются причиной снижения прочностных характеристик материала.