Дефекты в кристаллах

Дефектами кристаллов называют нарушения идеальной кристал­лической структуры. Такое нарушение может заключаться в от­сутствии атома в узле решетки (вакансия), в замене атома данного вещества (своего атома) чужим атомом (атомом примеси), во внед­рении лишнего атома (своего или чужого) в межузельное прост­ранство. Подобные дефекты называются точечными. Они вы­зывают нарушения правильности решетки, распространяющиеся на расстояния порядка нескольких периодов.

Кроме точечных, существуют дефекты, сосредоточенные вблизи некоторых линий. Их называют линейными дефектами

Рис. 1.

Рис. 2.

или дислокациями. Дефекты такого вида нарушают правиль­ное чередование кристаллических плоскостей. Простейшими ви­дами дислокации являются краевая и винтовая дисло­кации.

Краевая дислокация обусловливается лишней кристаллической полуплоскостью, вдвинутой между двумя соседними слоями ато­мов (рис. 1). Край этой полуплоскости образует дислокацию данного вида. Линией дислокации является перпендикулярная к плоскости рисунка прямая, отмеченная знаком .

Винтовую дислокацию можно представить как результат разре­за кристалла по полуплоскости и последующего сдвига лежащих по разные стороны разреза частей решетки навстречу друг другу на величину одного периода (рис. 2). Внутренний край разре­за образует винтовую дислокацию (см. пунктирную прямую на рисунке). Кристалл с винтовой дислокацией фактически состоит из одной кристаллической плоскости, которая изогнута по винтовой поверхности (такую поверхность называют геликоидом). Линия дислокации совпадает с осью винта. При каждом обходе вокруг этой линии кристаллическая плоскость смещается на один период.

Рис. 3.

Мы рассмотрели два простейших (предельных) вида дислока­ции. В обоих случаях линии дислокации являются прямыми. В об­щем случае линии дислокации могут быть кривыми.

Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства кристаллов, в том числе и на их прочность. В частности, дисло­кации служат причиной того,

что пластическая деформация (т.е. деформация, сохраняющаяся после снятия напряжения, вызвавшего эту деформацию) реальных кристаллов происходит под воздействием напряжений на несколько порядков меньших, чем вычисленное для идеальных кристаллов.

У монокристаллов металлов легко происходит сдвиг вдоль атомных слоев. Не следует представлять себе этот процесс так, что все атомы слоя смещаются одновременно как одно целое. В дей­ствительности атомы перескакивают в новые положения неболь­шими группами поочередно. Такое поочередное перемещение атомов может быть представлено как движение дислокации. Для пере­мещения дислокации достаточно напряжений, много меньших, чем для перемещения всего атомного слоя сразу. На рис. 3 показаны последовательные стадии процесса, происходящего в кристалле под действием сил, обусловливающих сдвиг. Первоначально имевшаяся дислокация под воздействием созданных в кристалле напряжений перемещается вдоль кристалла. Это перемещение со­провождается поочередным сдвигом атомов слоя, лежащего над дис­локацией, относительно атомов слоя, лежащего под дислокацией.

Перемещению дислокации препятствует наличие других дефектов в кристалле, например, присутствие атомов примеси. Дислокации тормозятся также при пересечении друг с другом. Если коли­чество дислокации и других дефектов в кристалле мало, дислокации перемещаются практически свободно. В результате сопротивление сдвигу будет невелико. Увеличение плотности дислокации и воз­растание концентрации примесей приводит к сильному торможению дислокации и прекращению их движения. В результате; проч­ность материала растет. Так, например, повышение прочности же­леза достигается растворением в нем атомов углерода (такой раст­вор представляет собой сталь).

Пластическая деформация сопровождается разрушением крис­таллической решетки и образованием большого количества дефек­тов, препятствующих перемещению дислокации. Этим объясняется упрочение материалов при их холодной обработке.

Винтовая.дислокация часто возникает в процессе роста кристал­лов из раствора или расплава. Захват атома гладкой плоской кри­сталлической поверхностью энергетически менее выгоден и по­этому менее вероятен, чем присоединение атома к ступеньке, су­ществующей на поверхности кристалла с винтовой дислокацией. Поэтому кристаллы предпочитают расти со встроенной внутрь винтовой дислокацией. Новые атомы присоединяются к краю сту­пеньки, вследствие чего рост кристалла происходит по спирали.

Дата добавления: 2014-01-20