Дефекты в кристалле. Примеры и описание

Идеальное периодическое расположение атомов в кристаллической структуре никогда не реализуется, и рост кристалла, как и его деформация, сопровождается рождением дефектов структуры. Эти дефекты можно разбить на три типа: точечные, или безразмерные; линейные, или одномерные, и плоские, или двумерные.

Точечные дефекты. Точечные дефекты в кристаллической структуре образуются в основном интерстициальными атомами и вакансиями. Эти вакансии играют важную роль в процессе диффузии, обмениваясь своими положениями с атомами (рис. 4.14). Атомы в интерстициях решетки могут отличаться по природе от атомов основной решетки, т. е. быть примесными и препятствовать пластической деформации за счет структурных и электрических эффектов, связанных с различиями их радиусов и ионных зарядов. В решетке кварца, однако, присутствие воды усиливает его пластические свойства вследствие гидролиза Si—О - связей в реакции с атомами водорода.

Линейные дефекты. В результате пластической деформации внутри кристалла часто возникают области, целиком смещенные относительно их окружения. Такие области ограничены дислокационной петлей (рис. 4.2), отделяющей смещенную часть кристалла. Выделяют два типа подобных дислокаций. На границе дополнительно вставленной в идеальный кристалл полуплоскости возникает краевая дислокация - край этой полуплоскости, около которой максимальны искажения структуры (рис. 4.3 и 4.5).

Рис. 4.2. Скольжение расширяющейся петли дислокации. Поверхность скольжения (крап) расширяется под действием касательного напряжения (стрелки) [2]

Рис. 4.3. Скольжение вследствие распространения краевой дислокации: а - «гусеничное» движение: б - скольжение в кристалле при продолжении краевой дислокации. Дополнительная полуплоскость соответствует складкам гусеницы [2]

Рис. 4.4. Скольжение, вызванное продвижением винтовой дислокации [2]: а - прорезанная пачка бумаги; б - скольжение в кристалле при движении винтовой дислокации. Смешение листов бумаги соответствует винтовой дислокации

Рис. 4.5. Полупетля дислокации [2]. Показаны лишь плоскости решетки, параллельные дополнительным полуплоскостям. Верхняя полуплоскость слева непрерывно связана с нижней полуплоскостью справа за счет искажения плоскостей решетки винтовой дислокацией по черной линии подобно многоэтажному гаражу. Символом обозначены краевые дислокации

Винтовая дислокация образуется при смещении плоскостей кристаллической решетки путем их геликоидального поворота вокруг оси искаженной области (рис. 4.4 и 4.5). Краевая и винтовая дислокации противоположного знака образуют петлю дислокации, которая соответствует полуплоскостям, ограничивающим снизу и сверху краевые дислокации, и спиралям противоположных направлений обхода для винтовых дислокаций (рис. 4.5).

Петля дислокации обычно имеет не прямоугольную, а некоторую произвольную форму с линиями дислокации, проходящими в промежуточных направлениях между теми, что соответствуют чистым краевому и винтовому сегментам, т. е. петля содержит участки дислокаций смешанного типа. Перемещение краевой (рис. 4.3) или винтовой (рис. 4.4) дислокации через всю структуру приводит к сдвигу кристалла на величину межплоскостного расстояния в направлении винтовой дислокации. На рис. 4.2 иллюстрируется образование и перемещение дислокационной петли внутри кристалла. Плоскость петли называется плоскостью скольжения, а направление сдвига, параллельное линии винтовой дислокации,- направлением скольжения. Вектор смещения, описывающий это скольжение, называется вектором Бюргерса. Обычно его приравнивают вектору решетки в направлении смещения.

К активным системам скольжения (плоскости и направления) в кристалле относят те, которые требуют наименьшей энергии для элементарного смещения. Например, вектор Бюргерса может соответствовать либо кратчайшему параметру решетки, либо направлению, в котором действуют сильные химические связи, а плоскость скольжения-либо плоскости плотнейшей упаковки, либо плоскости, в которой не разрываются сильные межатомные связи. Первый случай иллюстрируется примером оливина (изолированные тетраэдры SiО₄) с доминирующей системой скольжения (010) [100], соответствующей плоскости плотного расположения атомов и наименьшему параметру решетки. Ко второму случаю относится пироксен (цепочки Si—О, параллельные направлению [001]) с единственной системой скольжения (100) [001], при котором никакие Si—О связи не нарушаются. В табл. 1 приведены главные системы скольжения породообразующих минералов.

Вокруг дислокации возникают упругая деформация решетки, увеличивающая внутреннюю энергию кристалла, и соответственно локальное напряженное состояние. Две соседние дислокации одного знака отталкиваются друг от друга, а дислокации противоположного знака притягиваются и могут аннигилировать (рис. 4.13).

Помимо рассмотренного выше скольжения дислокации могут перемещаться в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения. В случае краевой дислокации подобное переползание происходит за счет диффузионного переноса атомов к дополнительной полуплоскости или от нее (рис. 4.6). Если атомы полуплоскости обмениваются положениями с вакансиями решетки, то граница полуплоскости, поглощающая вакансии, смещается вверх (рис. 4.6), а при испускании полуплоскостью вакансий ее граница передвигается в обратном направлении. Это переползание дислокаций под действием приложенных напряжений обеспечивает деформацию решетки.

Рис. 4.6. Переползание краевой дислокации под действием силы F [2]: а -линия атомов исчезает вдоль края дополнительной полуплоскости; б - линия атомов добавляется вдоль того же края

Двумерные дефекты. К основным двумерным дефектам относятся стенки дислокаций, двойники и грани кристалла, также называемые границами зерен, причем соседние зерна могут быть представлены одной и той же или разными минеральными фазами. Здесь мы остановимся лишь на внутренних дефектах кристаллов, а именно на стенках дислокаций и двойниках.

Стенки дислокаций. Рассеянные по решетке дислокации благодаря скольжению и переползанию выстраиваются некоторым регулярным образом. Такое распределение, соответствующее энергетическому минимуму, называется стенкой дислокаций. Как следствие кристалл расчленяется на субзерна, отделенные друг от друга стенками дислокаций, или границами субзерен (субграницами) (рис. 4.7). Краевые дислокации образуют наклонные границы, или стенки, а винтовые - скрученные границы. Первые вызывают поворот субзерен по обе стороны от стенки вокруг оси, расположенной в самой стенке параллельно линии дислокации (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Изгиб кристалла вследствие избыточной плотности дислокаций одного знака (а) и расположения дислокаций одного знака вдоль наклонной стенки (6) [2]

Скрученные границы образуются двумя системами винтовых дислокаций, обеспечивающих поворот соседних субзерен вокруг оси, проходящей под прямым углом к образующимся граням. Таким образом, в кристалле возможна неоднородная деформация благодаря поворотам решетки, приуроченным к стенкам дислокаций. Считается, что существование подобных стенок дислокаций диктуется геометрическими условиями (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Наклонные стенки дислокаций в порфирокласте неоднородно деформированного оливина (Nicolas et al„ 1971, Tectonophysics, 12, 55)

Двойники. Двойниковая структура возникает при расположении одной части кристалла симметрично к другой его части относительно плоскости двойникования. При этом часть кристалла поворачивается на определенный угол вокруг оси двойникования. Такое деформационное двойникование обусловливается простым сдвигом S первоначальной решетки на некоторый угол параллельно плоскости двойникования К₁ в направлении (рис. 4.9). Угол общего поворота решетки при двойниковании может достигать весьма больших значений.

Рис. 4.9. Двойникование в кристалле при механическом сдвиге с амплитудой S в плоскости К₁ в направлении