Точечные дефекты

Классификация дефектов кристаллической решетки

Понятие об идеальном и реальном кристалле

План лекции

Лекция 8. Точечные дефекты

1. Понятие об идеальном и реальном кристалле.

2. Классификация дефектов кристаллического строения.

3. Виды точечных дефектов.

4. Искажение кристаллической решётки вокруг точечных дефектов.

5. Термодинамика точечных дефектов.

6. Миграция точечных дефектов.

6.1. Миграция вакансий.

6.2. Миграция межузельных атомов.

6.3. Миграция примесных атомов.

Искажения решётки, связанные с тепловыми колебаниями, также 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.

Дефекты (несовершенства) кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на:

- точечные (нульмерные);

- линейные (одномерные);

- поверхностные (двумерные);

-объёмные (трёхмерные).

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 больше размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации, дисклинации, цепочки вакансий и межузельных атомов.

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

Точечные, линейные и поверхностные дефекты являются микроскопическими - минимум в одном измерении их протяжённость измеряется атомными диаметрами. В отличие от них объемные 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 несовершенстве металлических кристаллов,то имеют в виду микроскопические дефекты,количеством которых можно варьировать, применяя различные виды обработки.

Точечные дефекты могут быть собственными (структурными) и примесными. К элементарным собственным дефектам относят вакансии и межузельные атомы, к примесным — атомы примеси, растворенной по способу замещения или внедрения (рис. 8.1).

а	б
в	г

Рис. 8.1. Точечные дефекты: а - вакансия, б - атом внедрения, в – примесный атом замещения, г – примесный атом внедрения

Вакансия образуется при удалении атома из его нормального положений в узле кристаллической решетки.

Межузельный атом— это собственный атом, втиснувшийся между атомами, которые расположены в узлах кристаллической решетки.

Вакансии и атомы замещения могут находиться в любых узлах решетки, причем атомы замещения занимают места атомов основного металла.

Межузельные атомы и примесные атомы внедрения, расположенные между атомами основного металла, размещаются не в любом междоузлии, а преимущественно в таких местах (пустотах), где для них имеется больше свободного пространства. Размеры и расположение этих пустот можно определить, если рассматривать атомы как жесткие сферы.

Вакансии образуются: а) в результате флуктуаций энергии при хаотичном тепловом движении атомов; б) при пластической деформации; в) при ядерном облучении металлов, а также при других процессах.

Тепловые вакансии образуются по механизму Шоттки: атом поверхностного слоя, приобретая избыток энергии от соседей, испаряется из кристалла или, что еще легче, переходит в адсорбционный слой. В последнем случае не происходит полного разрыва всех межатомных связей. Через некоторое время на место ушедшего атома поверхностного слоя переходит соседний атом из более глубокого слоя и т. д. Таким путем образуется вакансия, переходящая в глубь кристалла. Источниками тепловых вакансий являются свободные поверхности кристалла, пустоты и трещины внутри него, границы зерен и дислокации.

Источники вакансий экспериментально выявляли следующим способом. Металл бомбардировали α - частицами. При последующем нагревании атомы гелия выделялись из раствора с образованием газовых пузырьков. Пузырьки предпочтительно возникали вблизи источников вакансий, указывая на их месторасположение. Источниками вакансий, около которых возникали пузырьки гелия, оказались границы зерен и дислокации.

При облучении металлов частицами с большой энергией атомы выбиваются из узлов решетки, в результате чего образуется френкелевская пара — межузельный атом и вакансия.

Свободные поверхности, границы зерен и дислокации служат источниками вакансий, пока кристалл еще не насыщен ими. Если же кристалл пересыщен вакансиями, например при закалке, то эти источники могут действовать как стоки — места, куда мигрируют (стекают) вакансии и где они исчезают. Вакансия и межузельный атом могут аннигилировать при встрече. Но такая рекомбинация дефектов происходит крайне редко, так как очень мала концентрация межузельных атомов (исключение — облученные металлы, содержащие большое количество межузельных атомов).

а	б

Рис. 8. 2. Образование вакансий по механизму Шоттки (а) и по Френкелю (б)

Дата добавления: 2014-01-07