Смещенные атомы

Тепловые колебания атомов твердого тела имеют большое значение, но они не приводят к серьезным нарушениям идеальной структуры кристалла. Каждый атом находится в среднем на своем собственном месте. Поэтому каждый атом окружен необходимым числом ближайших соседей, которые расположены на расстояниях, примерно соответствующих совершенной структуре. Невыполнение этих условий приводит к образованию некоторых дефектов решетки: либо у атомов неправильное количество ближайших соседей, либо нарушаются расстояния до ближайших соседей. Эти дефекты в зависимости от их геометрии можно разделить на три группы: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты — это нарушения решетки в изолированных друг от друга точках решетки. Например, точечными дефектами являются вакансии, т. е. узлы решетки, в которых нет атомов. Точечными дефектами могут быть атомы внедрения, т. е. лишние атомы, поместившиеся в промежутках между атомами, расположенными в узлах решетки. Это могут быть примеси — инородные атомы, занимающие места в решетке. Эти три вида дефектов схематически показаны на рис.1. Отметим, что размеры этих дефектов примерно равны атомному диаметру.

Рис.1 Три типичных точечных дефекта. а — вакансия; б — внедренный (междоузельный) атом; в — атом инородный примеси.

К линейным дефектам относятся дислокации, имеющие заметную протяженность только в одном направлении. Такие дефекты оказывают большое влияние на механические свойства твердых тел.

Поверхностные дефекты бывают двух типов: наружные и внутренние. Наружные дефекты точно соответствуют своему названию — это несовершенства, обусловленные тем, что поверхность твердого тела граничит с другой фазой. Твердые тела обладают поверхностной энергией; для металлов она имеет порядок 1 дж/м. Внутренние дефекты появляются в тех местах, где происходит переход от одной пространственной ориентации кристаллической решетки к другой. Таковы границы, показанные на поперечном сечении вольфрамового образца. Эти внутренние поверхности также обладают поверхностной энергией около 1 дж/м. Относительная ориентация двух соседних кристаллических зерен может принимать бесконечное множество значений; соответственно существует бесконечное разнообразие границ между зернами. Большинство обычных твердых тел состоит из множества зерен, т. е. эти тела являются поликристаллами.