Дефекты реальных кристаллических материалов их влияние на свойства твердых тел.

Идеальных кристаллов с идеальной решеткой не существует. В реальных кристаллах имеются различные дефекты, нарушающие периодичность в расположении атомов. Структурные дефекты в кристаллах подразделяют на

– Нульмерные или точечные (вакансии, внедренные атомы);

– Одномерные или линейные (краевые и винтовые дислокации);

– Двумерные и трехмерныеилиобъёмные (микропоры, трещины, газовые пузырьки).

Точечные дефекты: Вакансия - отсутствие атома в узле кристаллической

решетки. Внедренные атомы: а) чужеродный атом в узле кристаллической решетки; б) атом вне узла, в межузельном пространстве. Точечные дефекты повышают электропроводимость, а на механические свойства не влияют.

Нульмерные – точечные дефекты, делятся на энергетические, электронные и атомные. К энергетическим дефектам относятся временные изменения регулярности решетки кристалла – фононы, вызванные тепловыми колебаниями атомов решетки. Электронные дефекты представляют собой избыточные электроны, отсутствие электронов в валентных связях между атомами – дырки и экситоны – пары электрон-дырка, связанные между собой кулоновскими силами. Атомные дефекты подразделяются на собственные (тепловые) и примесные. Тепловое дефекты имеются в кристаллах при любых температурах, отличных от абсолютного нуля, и проявляются либо в виде незанятых узлов – вакансий (дефекты по Шоттки), либо как образования, состояние из вакансии и атома, смещенного в междоузлие (дефекты по Френкелю). Примеси посторонних атомов в зависимости от своих размеров могут располагаться в узлах решетки или в междоузлиях. Такие дефекты называются соответственно примесями замещения и примесями внедрения.

Линейные дефекты:

Дислокации: краевые - оборванный край атомной плоскости внутри кристаллической решетки; винтовые - условная ось внутри кристалла, относительно которой закручиваются атомные плоскости в процессе кристаллизации. При увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз.

Одномерные – линейные дефекты (краевые и винтовые дислокации) образуются в кристаллах, подвергнувшихся внешним деформациям. При краевом сдвиге верхний слой атомов кристалла перемещается относительно нижнего, в результате чего одна из атомных плоскостей внутри кристалла обрывается. Граница атомной полуплоскости называется краевой дислокацией. Она представляет собой линию, лежащую в плоскости скольжения и определяющую область кристалла, претерпевшую сдвиг (рис. а).

В случае винтовой дислокации одна часть кристалла смещена относительно другой в направлении, параллельном линии дислокации и образует слой атомов, поднимающихся над плоскостью кристалла в виде ступени. При этом весь кристалл состоит как бы из одной атомной плоскости, закрученной по винтовой линии вокруг дислокации (рис. б).

а) б)

Рис. Линейные дефекты – дислокации: а – краевая; б – винтовая

Наиболее простым методом выявления дислокаций является метод химического травления поверхности кристалла специально подобранным травителем. Кинетика процессов травления состоит из следующих этапов:

– диффузия химического реагента травления;

– адсорбция реагента;

– поверхностная реакция;

– десорбция продуктов взаимодействия;

– диффузия продуктов реакции от поверхности.

Поскольку дислокации ослабляют силы связи между частицами в кристалле, то в местах выхода дислокаций на поверхность образуются ямки, форма которых определяется ориентацией плоскости, где проводится травление. За количественную характеристику принимают плотность дислокаций, приходящихся на единицу поверхности (как правило на 1 см²). Плотность порядка 10²-10³ см^-2 соответствует качественным кристаллам, в то время как в сильно деформированных – 10¹¹-10¹² см^-2.

Двумерные (поверхностные дефекты) – поверхности монокристалла, границы зерен поликристаллов, плоскости двойникования (когда одна часть кристаллической решетки в процессе роста занимает зеркальное положение относительно другой).

Трехмерные (объемные дефекты)– трещины, полости, включения другой фазы и т.д.

Объемные дефекты возникают из-за влияния внешних условий кристаллизации или под действием внешних нагрузок. В результате несколько вакансий дают пору; несколько линейных дислокаций - трещину.

Влияние дислокаций на процесс деформирования кристалла, заключается в том, что наличие дислокаций значительно облегчают движение атомных плоскостей друг относительно друга и способствует уменьшению предела прочности. В результате деформирования дислокации могут выходить за грани кристалла. Под действием значительных усилий в кристалле могут возникать новые дислокации, облегчающие деформирование кристалла (площадка текучести). Дислокации переплетаются.

Если дислокаций нет, то требуется значительное усилие, чтобы деформировать материал. Чем больше дислокаций, тем меньше усилие необходимое для деформации образца. Начиная с некоторой концентрации дислокаций деформация затрудняется, дислокации мешают движению друг друга. Возникает эффект упрочнения.