2.3. Точечные дефекты

Как отмечалось, характерным видом точечных дефектов являются вакансии, межузельные атомы (так называемые собственные или структурные точечные дефекты), а также примесные атомы внедрения и замещения.

Вакансии представляют собой узлы решетки, в которых отсутствуют атомы. Межузельные атомы являются как бы избыточными, лишними атомами и располагаются в междоузлиях (микропорах). Аналогичные позиции занимают примесные атомы внедрения, образуя тем самым раствор внедрения. Примесные атомы замещения находятся в узлах кристаллической решетки, занимая места атомов основного компонента, т.е. образуют твердый раствор замещения. В последнем случае, строго говоря, роль точечных дефектов играют такие примесные атомы, которые имеют размер, отличный от размера основных атомов, образующих решетку.

На рис.26 дано схематическое изображение различных типов точечных дефектов.

Рис. 26. Типы точечных дефектов кристаллической решетки:

межузельный атом (1), вакансия (2), примесные атомы внедрения (3) и замещения (4)

Вакансии и примесные атомы замещения могут находиться в любых узлах решетки. Примесные атомы внедрения располагаются не в любом междоузлии, а преимущественно в таких микропорах, где для них имеется достаточно свободного пространства. Так, атомы внедрения в металлах с кубической решеткой предпочтительно размещаются в октаэдрических порах.

Появление точечных дефектов вызывает упругие искажения в кристаллической решетке. Пустой узел (вакансия) можно рассматривать как центр всестороннего растяжения, а межузельный атом - сжатия. Из математической теории упругого поля непрерывной среды следует, что напряжение и деформация вокруг такого центра возмущения решетки убывает пропорционально 1/ r (где r - расстояние). Это означает, что упругие искажения, вызываемые точечными дефектами, быстро затухают по мере удаления и только на расстоянии 1-2 атомных диаметров от центра дефекта создаются заметные смещения соседних атомов из равновесных положений.

При оценке роли структурных точечных дефектов полезно отметить, что наибольшие искажения решетки вносятся межузельными атомами. Как результат - энергетические затраты на их образование (энергия активации) в несколько раз выше, чем для вакансий.

Отличительной особенностью точечных дефектов является то обстоятельство, что их трудно наблюдать непосредственно. Поэтому обнаруживать и изучать их приходится в основном по тому влиянию, которое они оказывают на физические свойства кристалла. Вторая особенность этих несовершенств состоит в том, что их концентрация может быть значительной даже в кристалле, находящемся в термодинамическом равновесии. Дислокации и поверхности раздела всегда повышают свободную энергию кристалла, в то время как введение некоторого количества точечных дефектов понижает ее свободную энергию до минимального значения. Это объясняется увеличением энтропии S. Как известно, равновесное состояние характеризуется минимумом свободной энергии F, величина которой описывается выражением F = E - TS . При образовании точечных дефектов растет полная (внутренняя) энергия кристалла Е, но одновременно увеличивается и связанная энергия TS. При повышенных температурах рост энтропийного члена TS из-за образования точечных дефектов компенсирует возрастание полной энергии кристалла Е и свободная энергия оказывается минимальной.

Каждой температуре соответствует определенная равновесная концентрация точечных дефектов, величина которой меняется от температуры по экспоненциальному закону: C = n/N = exp( - Q/kT),

где n - число точечных дефектов; N - число атомов; Q - энергия, необходимая для образования 1 моля точечных дефектов; к - константа Больцмана и Т -абсолютная температура.

Анализ этой зависимости показывает, что в плотноупакованных структурах энергия образования вакансий в несколько раз меньше энергии образования межузельных атомов. Поскольку энергия образования дефекта входит в показатель степени, то это различие обусловливает громадную разницу в концентрации вакансий и межузельных атомов.

В плотноупакованных решетках, которые характерны для большинства металлов, очень трудно образовываться межузельным атомам, и вакансии в таких кристаллах являются основными точечными дефектами (не считая примесных атомов).

Появление точечных дефектов в кристалле может быть результатом тепловых флуктуаций. Под их воздействием атом, преодолев энергетический барьер, может перейти в междоузлие. В таком случае происходит образование сразу двух точечных дефектов - вакансии и межузельного атома. Такая комбинация "вакансия-межузельный атом" называется парным дефектом Френкеля или дефектом по Френкелю.

Помимо внутреннего «испарения» (дефекты по Френкелю) возможно полное или частичное испарения атомов с поверхности кристаллов. При этом в поверхностном слое кристалла образуется вакансия. При замещении вакансии атомом, лежащим глубже, она втягивается внутрь кристалла и диффундирует по его объему - происходит, как говорят, растворение пустоты. Таким образом, атом, покинувший узел, оказывается на свободной поверхности кристалла и в решетке сохраняется только один дефект - вакансия. Такой дефект принято называть дефектом по Шоттки.

Однако, кроме точечных дефектов, возникших в результате тепловых флуктуаций, могут появиться несовершенства и иного происхождения. Один из способов получения избыточного (для данной температуры) количества точечных дефектов состоит в резком охлаждении от более высокой температуры (закалке). Пересыщенный точечными дефектами (преимущественно вакансиями) кристалл отличается иным поведением при пластической деформации. Так, если монокристаллы алюминия закаливать в воде от температур, близких к температуре плавления, то при испытании на растяжение критическое напряжение сдвига для закаленных образцов будет примерно в 5 раз выше, чем для медленно охлажденных. Этот эффект является результатом взаимодействия вакансий или их комплексов с линейными дефектами типа дислокаций, вследствие чего подвижность последних резко ограничивается и это способствует возрастанию сопротивления сдвигу.

Другой способ создания избыточных дефектов заключается в сильной деформации кристалла, например, ковкой, прокаткой или волочением. Хотя решетка при этом по-прежнему сохраняет в основном свою кристаллическую природу, при такой обработке возникают многочисленные дефекты структуры, в том числе и точечные.

Наконец, увеличение количества точечных дефектов может быть получено в результате радиационного облучения металлов частицами с высокой энергией. Быстрые частицы соударяются с атомами решетки и выбивают их из положения равновесия, образуя при этом дефекты по Френкелю. В этом случае количество дефектов зависит не от температуры, а от природы кристалла и энергии бомбардирующих частиц. С помощью такого облучения могут достигаться заметные концентрации "выбитых"

атомов, что приводит к существенному изменению свойств.

53

Единичные точечные дефекты могут объединяться в комплексы. Так, возможно образование парных вакансий (или бивакансий), когда две одиночные вакансии в результате взаимодействия (слияния) формируют единую комбинацию. Вероятны также случаи образования комплексов типа "вакансия-примесный атом внедрения".

Подобные объединения точечных дефектов отличаются большей диффузионной подвижностью.