1. Дефекты в кристаллах

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные

Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинаковой амплитудой. Однако отдельные атомы обладают энергией значительно большей средней энергии и перемешаются из одного места в другое. Наиболее легко перемешаются атомы поверхностного слоя. Место, где находился такой атом, называется вакансией. На это место через некоторое время перемешается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемешается в глубь кристалла. К точечным дефектам (рис. 2.3.) относят атом, внедренный в междоузлие кристаллической решетки, и замешенный атом, когда место атома одного металла замешается в кристаллической решетке другим. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки.

Рис. 2.3. Схемы точечных дефектов: а – вакансия; б – атом внедрения; в – примесный атом внедрения

Линейные дефекты (рис. 2.4.) возникают, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой, число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней, то есть, появляется как бы лишняя атомная плоскость (экстраплоскость).

Край экстраплоскости, перпендикулярный направлению сдвига, называется краевой или линейной дислокацией. Длина дислокации может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний. Линейные дефекты, краевые и винтовые дислокации – сильно искажают кристаллическую решетку, создавая напряжения. Перемещаясь под влиянием внешних сил, дислокации скапливаются, достигая критической плотности (10¹² на см²). При этом пластичность становится близкой к нулю, происходит трещинообразование и хрупкое разрушение. Дислокации возникают при кристаллизации и могут размножаться под нагрузкой.

Рис. 2.4. Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций: АВ – краевая дислокация; ABCD – плоскость скольжения; ВС – винтовая дислокация

Поверхностные дефекты (рис. 2.5.) представляют собой границы раздела между отдельными кристаллами. На границе раздела атомы расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше нарушает порядок расположения атомов.

Рис. 2.5. Схема поверхностного дефекта – граница зерен (пунктир): А – атом принадлежит обеим решеткам; В – атом не принадлежит ни одной из них; С – атом принадлежит одной из двух решеток

Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации дефектов. Дефекты в кристаллах существенно влияют на свойства металлов.

Неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кристаллов обусловлена различием плотности упаковки атомов в решетке в различных направлениях. Все кристаллы анизотропны.