Линейные дефекты — дислокации

Дефекты кристаллической решетки

Кристаллы, атомы в которых расположены строго периодически, называют идеальными. Все реальные кристаллы обязательно содержат отклонения от идеальной структуры, такие отклонения принято называть дефектами структуры. Дефекты структуры разделяют на динамические и статические. К динамическим дефектам относят искажения кристаллической решетки, вызванные тепловыми колебаниями или же колебаниями атомов в поле проходящей через кристалл электромагнитной волны. Эти дефекты cвязаны со смещениями атомов относительно их равновесных положений, они существуют даже в идеальных кристаллах. Статические дефекты связаны с нарушениями в расположении атомов в кристаллической решетке, например, один атом в узле решетки отсутствует или замещен другим, или же атомы перегруппировались и сформировали внутри кристалла более крупный дефект.

Статические дефекты принято разделять на 4 группы, различающиеся "формой" дефекта:

1) точечные дефекты, например, отсутствие атома в узле решетки;

2) линейные дефекты - дислокации, в которых сильные отклонения от периодичности наблюдаются вдоль линии;

3) поверхностные дефекты, например, границы кристалла и зерен поликристалла;

4) объемные дефекты, например, поры, микротрещины или малые включения другой фазы.

Многие физические свойства кристаллов сильно зависят от дефектов разных групп. Например, прочность и пластичность материала сильнее всего зависят от линейных, поверхностных и объемных дефектов. Электросопротивление в основном зависит от точечных дефектов. Коэффициент диффузии, теплопроводность, окраска кристаллов также сильно зависят от наличия дефектов.

Точечные 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). Рассмотрим различные точечные дефекты, схематически изображенные на рис. 1.1:

1) Вакансия (дефект по Шотки).

Атом может отсутствовать в некотором узле кристаллической решетки (см. рис. 1.1 (1)). Такое пустое место называют вакансией. Часто вакансия появляется при кристаллизации - случайно один узел оказывается пустым, и, если следующий слой атомов закрывает подход атомов из раствора или расплава к пустому узлу-вакансии, то узел может оказаться пустым.

На свободную вакансию может перескочить соседний атом, это будет равнозначно тому, что вакансия переместилась на место этого атома. Движение дефектов в кристаллах весьма характерно. Чем выше температура, тем более вероятен этот процесс.

При комнатных температурах в таких металлах, как свинец пли кадмий, каждая вакансия осуществляет приблизительно один скачок в сутки, но вблизи температуры плавления такие скачки осуществляются десятки тысяч раз в секунду. В результате подобных передвижений вакансии могут объединиться и образовать более крупные макроскопические нарушения, но могут и исчезать, если при перемещении им удается достигнуть поверхности кри­сталла. Среднее число вакансий в обычном металлическом кристалле объемом в 1 см3равно 1012-1014.

2) Междоузельный атом.

Атом может разместиться не в узле кристаллической решетки, а в промежутке между атомами — междоузлии (см. рис. 1.1 (2)), такой дефект называют междоузельным атомом. Появляется междоузельный атом, как и вакансия, часто при кристаллизации - случайно один из атомов в результате теплового движения попадет в промежуток между соседними атомами, и, если его место займет какой либо другой атом, то междоузельный атом так и останется в новом ненормальном положении.

3) Дефект по Френкелю.

Часто вакансия и межузельный атом возникают парами (см. рис. 1.1 (3)), в этом случае один из атомов перескакивает из узлового положения в соседнее междоузлие. Причиной такого перескока может быть тепловое движение при сравнительно высоких температурах, порядка температуры плавления, или выбивание атома быстродвижущейся частицей (радиационный дефект). Такая пара дефектов называется дефектом по Френкелю.

4) Атом примеси.

Один из атомов может быть замещен атомом примеси (см. рис. 1.1 (4)), при этом также получается дефект, называемый примесным атомом замещения. Примесный атом может разместиться и в междоузлии (см. рис. 1.1 (5)), как бы внедрившись в него. Такой дефект, называемый примесным атомом внедрения, часто появляется в случае, когда атом примеси значительно меньше атомов кристалла и в решетке кристалла имеются междоузлия достаточного размера; часто примесями внедрения оказываются атомы водорода, бора, углерода. Если атом примеси превосходит по размерам атомы кристалла, то, как правило, он замещает атомы кристалла.

Часто атомы примеси, отличающиеся валентностью от атомов кристалла, обусловливают появление вакансий, как это происходит в кристаллах KСl при добавлении к нему Ca, так, что кристалл в целом остается нейтральным. В таком случае атом двухвалентного кальция занимает место одного атома калия, а место, где должен был бы находиться атом калия, оказывается пустым (см. рис. 1.1 (6)).

Рис.1.1.
Типы точечных дефектов: 1 - вакансия; 2 - межузельный атом; 3 - дефект по Френкелю; 4 - примесный атом замещения; 5 - примесный атом внедрения; 6 - атом замещения большей валентности

5) Точечные дефекты в кристаллах с ковалентным и вая-дер-ваальсовским типом связей.

Образование вакансий в кристаллах с ковалентным типом связи связано с обрывом химических связей и появлением ненасыщенных валентностей у атомов, находящихся па границе с вакансией. По этой причине вакансия несет на себе некоторый электрический заряд.

Ван-дер-ваальсовская связь, как связь ненаправленная, сходна в этом отношении с металлической. Поэтому точечный дефект молекулярного кристалла (пропущенная молекула) сходен с аналогичным дефектом металлического кристалла. Однако здесь возможны дефекты, связанные с неправильным положением крупных молекул весьма сложной формы. На рис. 1.2 (а) показана полностью упорядоченная структура кристалла из динноцепочечных молекул. Оси молекул расположены перпендикулярно плоскости чертежа. На рис. 1.2 (б) порядок расположения молекул нарушен, хотя центры тяжести их остались на своих местах. Этот случай нарушения возможен только в органических и в неорганических кристаллах с крупными неправильной формы группировками атомов (молекул или радикалов). Пунктирной окружностью на рис. 1.2 (б) показана вакансия, образовавшаяся в результате отсутствия одной из молекул.

Рис.1.2.

Идеальный (а) и дефектный (б) молекулярный кристалл

Линейные дефекты — дислокации

Изучение линейных дефектов кристаллической решетки, называемых дислокациями, связано с их сильным влиянием на прочность и пластичность практически всех конструкционных кристаллических материалов. Теории прочности кристаллов, не учитывающие этот тип дефектов, не могли даже приближенно объяснять наблюдающиеся механические свойства как моно- так и поликристаллических веществ.

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Дислокации принято разделять на краевые и винтовые.

Первоначально понятие о дислокации в кристаллах было введено в физику твердого тела Тейлором и Орованом в 1930 г. для описания процесса пластической деформации металлов. Однако вскоре выяснилось гораздо более общее значение теории дислокаций.

Действительно, проще всего искусственно получить дислокацию в кристалле, если подвергнуть его пластической деформации. Однако совершенно аналогичные дислокации могут возникать в кристалле самостоятельно в процессе его роста.

Представим себе, что мы начинаем сдвигать половину кристалла относительно второй неподвижной его половины (рис. 2.1 (а)). (Направление сдвига показано стрелкой.) В результате сдвига половина кристалла может переместиться на одно межатомное расстояние (рис. 2.1 (б)), и решетка кристалла в конечном итоге вновь станет идеальной. Однако ряд атомов 1, 1, 1... при этом разорвется, связь между атомами (соединенными на рис. 2.1 (б) пунктирной линией) будет нарушена, но вместо нее образуются совершенно аналогичные связи между рядами 1, 1, 1... в 2, 2. 2, затем 2, 2, 2... и 3, 3, 3... и т. д. за счет перемещения соответствующих цепочек атомов на одно межатомное расстояние. В большинстве случаев процесс идет не так. Деформация сжатия в направлении сдвига приводит к тому, что нарушается связь между атомами в каком-либо ряду внутри кристалла (на рис. 2.2 в ряду 5, 5, 5...).

Рис. 2.1 Смещение атомных плоскостей в кристалле в результате сдвига: а - положение до сдвига; б - положение после свига	Рис. 2.2 Двухмерная схема дислокации в результате сдвига

В результате в кристалле возникает как бы вставленная полуплоскость (верхняя часть рядов 5, 5, 5...), называемая обычно экстраплоскостью. В пространстве это показапо на рис. 2.3. Сдвиг в кристалле произошел не по всей плоскости, а только на части ее ABDC. Дислокация, обозначенная на рис. 2.2 значком «┴», перпендикулярна к плоскости чертежа. Она имеет линейную протяженность (линия AB рис. 2.3), поэтому посит название линейной дислокации. На рисунке она выглядит как точечный дефект. Следует сказать, что точечные дефекты часто могут служить источником линейных дислокаций во время роста кристалла, причем длина дислокации в отличие от точечных дефектов может простираться на миллионы межатомных расстояний и пронизывать кристаллы из конца в конец. Вокруг дислокации образуется область (шнур) наиболее деформированной напряженной части кристалла. Толщина шнура того же порядка, что и у точечных дефектов, т.е. нескольких межатомных расстояний.

Рис. 2.3

Схема появления дислокации в кристалле

Понятие о винтовой или спиральной дислокации было введено в физику твердого тела Бюргерсом в 1939 г. Такая дислокация также может возникнуть за счет сдвига части кристалла на один межатомный параметр (или кратное их число). На рис. 2.4 в плоскости сдвига AВCD одна часть кристалла опустилась па один параметр решетки СС' и соответственно DD'. Ось дислокации АВ в этом случае будет параллельна направлению сдвига, а не перпендикулярна, как это было в случае линейной дислокации. Вокруг оси винтовой дислокации также будет располагаться область наиболее искаженного участка кристаллической решетки размером в несколько межатомных расстояний.

Рис. 2.4 Схема появления винтовой дислокации в кристалле	Рис. 2.5 Один виток винтовой дислокации

На рис. 2.5 показан один виток такой дислокации на участке решетки, где имеет место максимальная деформация ячеек. Начало и конец изогнутой стрелки (символизирующей один шаг спирали) расположены на соседних узлах одного вертикального ряда решетки.

Горизонтальный ряд узлов оказывается разорванным и сдвинутым но вертикали на один параметр. Левее этой стрелки решетка почти не нарушена. Если мы начнем обходить эту стрелку, то через 180° встретим опять практически ненарушенный участок решетки, причем ряд будет представлять собою почти не искаженную прямую линию. Обходя по стрелке дальше область максимальных деформаций, мы будем двигаться по винтовой кривой все глубже и глубже в середине кристалла, опускаясь на один параметр при каждом обороте на 360°.

Реальные случаи, как правило, представляют собою комбинацию двух идеальных случаев: линейной и винтовой дислокаций. При этом образуется криволинейная дислокация с произвольными кривыми поверхностями скольжения. Описать такую дислокацию в каждом конкретном случае часто бывает трудно. Однако отдельные ее части обычно удается свести к описанным выше идеальным случаям.

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций ρ = 105 - 107 м². 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 мм, толщиной 0,5 - 20 мкм — “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа σ_в = 13000 МПа, для меди σ =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10^{15 —} 10¹⁶ м². 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, 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.