Дефекты кристаллов

Содержание

Введение…………………………………………………………………….....3

1 Точеные дефекты………………………………………………………..…..5

2 Линейные дефекты

2. 1 Краевая дислокация………………………………………………………7

2. 2 Винтовая дислокация…………………………………………………….9

3 Поверхностные дефекты……………………………………………….….13

Заключение…………………………………………………………………...16

Список используемой литературы………………………………………….17

 

Введение

Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии  кристалла — идеальной периодичности  кристаллической решётки.

Дефекты (несовершенства) кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные), объемные (трехмерные).

Точечные дефекты малы во всех трёх измерениях; их размеры  по всем направлениям не больше нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные  атомы, примесные атомы и их комплексы.

Линейные дефекты малы (имеют атомные размеры) в двух измерениях, а в третьем они  значительно большего размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла. К линейным дефектам относятся дислокакации, дисклинации, цепочка вакансий и межузельных атомов.

Поверхностные, в частном  случае плоские, дефекты малы только в одном измерении. К ним  относятся  границы зерен, субзёрен и двойников, дефекты упаковки, границы доменов в сверхструктуре.

Точечные, линейные и поверхностные  дефекты являются микроскопическими  – минимум в одном измерении  их протяженность измеряется атомными диаметрами. В отличие от них объёмные дефекты в атомном масштабе макроскопические - они имеют во всех трёх измерениях относительно большие размеры, несоизмеримые с атомным диаметром. К объёмным дефектам относятся поры, трещины и царапины. Когда говорят о несовершенствах металлических кристаллов, то чаще всего имеют в виду микроскопические дефекты.

Искажения решётки, связанные  с тепловыми колебаниями, так  же как и упругие деформации, отличающие реальный кристалл от идеального, не относят к несовершенствам. Таким образом, следует различать идеальный кристалл, являющийся застывшей схемой, в которой неподвижные атомы образуют правильную систему точек, и реальный несовершенный кристалл, содержащий точечные, линейные, поверхностные и объёмные дефекты или один из этих видов дефектов. Из-за дефектов в несовершенном кристалле расположение точек, вблизи которых колеблются атомы, не соответствует правильной системе точек в идеальном кристалле. Широко используемое понятие реальный совершенный кристалл условно, так как в реальном кристалле всегда должны содержаться точечные дефекты (вакансии и межузельные атомы), равновесная концентрация которых определяется температурой. Совершенным обычно принято называть реальный кристалл без дислокаций и субграниц. 

1 Точеные дефекты

Точечные дефекты - самые  мелкие дефекты, обычно связаны с "ненормальной" ситуацией вокруг одного атома (отсутствием  одного атома, замещением одного атома  другим или же появлением "лишнего" атома).

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей (рисунок 1).

 

Рисунок 1 - Точечные дефекты

 

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической  решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности  в окружающую среду или из узлов  решетки на поверхность (границы  зерен, пустоты, трещины и т. д.), в  результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами  или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные  вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию  пор и пустот.

Дислоцированный атом –  это атом, вышедший из узла решетки  и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования  требуются существенные затраты  энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически  невозможно выплавить химически  чистый металл. Они могут иметь  размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются  в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению  свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие  способствует процессам диффузии и  протеканию фазовых превращений в твердом состоянии.

Точечные дефекты оказывают  наиболее значительное влияние на скорость диффузии в кристаллах и на электропроводность в диэлектрических кристаллах.

При перемещении по материалу  дефекты могут взаимодействовать.

 

2 Линейные дефекты

Основными линейными дефектами  являются дислокации. Дислокации являются особым типом несовершенств в решётке, резко отличным по своей природе от других, в том числе и линейных, несовершенств.

Априорное представление  о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тэйлором при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла.

В настоящее время используются разнообразные экспериментальные  методы изучения дислокаций в металлах и сплавах.

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые

 

2. 1 Краевая дислокация

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край «лишней» полуплоскости (рисунок 2).

а)                                                  б)

Рисунок 2 - Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

 

Неполная атомная плоскость называется экстраплоскостью.

Наиболее существенно  то, что в некоторой области  непосредственно вблизи края экстраплоскости внутри кристалла решетка сильно искажена. Выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края – больше. Таким образом, вдоль края экстраплоскости тянется область с несовершенной решёткой.

Область несовершенства кристалла  вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование  можно описать при помощи следующей  операции. Надрезать кристалл по плоскости  ABCD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Наибольшие искажения  в расположении атомов в кристалле  имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево  от края экстраплоскости эти искажения  малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости  искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рисунок 3).

Если экстраплоскость  находится в верхней части  кристалла, то краевая дислокация –  положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная ( ). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.

 

 

Рисунок 3 - Искажения в  кристаллической решетке при  наличии краевой дислокации

 

Рассматривая дислокации при сдвиге, необходимо отметить, что  линия краевой дислокации перпендикулярна  вектору сдвига.

 

 

2. 2 Винтовая дислокация

Понятие о винтовой дислокации в физику твёрдого тела ввёл в 1939 году Бюргерс.

Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рисунок 4) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.

Если переход от верхних  горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.

 

 

Рисунок 4 - Механизм образования  винтовой дислокации

 

Винтовая дислокация не связана  с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой  плоскости, проходящей через линию  дислокации. Вакансии и дислоцированные  атомы к винтовой дислокации не стекают.

В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному  механизму роста кристалла.

Линии дислокаций не могут  обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько  дислокаций, либо выходить на поверхность  кристалла.

Дислокационная структура  материала характеризуется плотностью дислокаций.

Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1м², или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м³ (см^-2; м^-2):

 

.

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит  от состояния материала. После тщательного  отжига плотность дислокаций составляет 10⁵…10⁷ м^-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^–2.

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность  материала (рисунок 5).

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций .

Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2

 

Рисунок 5 - Влияние плотности  дислокаций на прочность

 

мм, толщиной 0,5…20 мкм - “усы“  с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^–2. В противном случае образуются трещины.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С  увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее напряжение, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю  скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают  химическую стойкость, поэтому в  результате обработки поверхности  кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Дислокации образуются при  образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании  блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя  полости в виде дисков. Если такие  диски велики, то энергетически выгодно  «захлопывание» их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

 

3 Поверхностные дефекты

Поверхностные дефекты возникают на границы зерен, фрагментов и блоков (рисунок 6).

 

Рисунок 6 - Разориентация зерен и блоков в металле

 

Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов ( ).

Граница между зернами  представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных  диаметров поверхностную зону с  максимальным нарушением порядка в  расположении атомов.

Строение переходного  слоя способствует скоплению в нем  дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и  внутри зерна никогда не наблюдается  идеального строения кристаллической  решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько  градусов (а). Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.

В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее  одного градуса (б). Такую структуру  называют блочной или мозаичной.

Поверхностные дефекты встречаются и внутри кристалла. Это связано с тем, что большинство реальных кристаллов формируются одновременно из нескольких центров кристаллизации и поэтому состоят из зерен с близкой ориентацией кристаллических решеток. На границе раздела этих зерен неизбежно нарушается периодическое расположение атомов. Границы с разориентацией соседних зерен менее ~ 10° называют малоугловыми, а большей разориентацией – высокоугловыми дефектами.