Види дефектів в кристалах.

Викладені раніше міркування про будову кристалів відносяться тільки до ідеальних кристалів. Будь-який реальний кристал не має такої ідеальної структури й володіє рядом порушень просторової кристалічної решітки, які називаються дефектами в кристалах. Зазвичай дефекти класифікуються за ознакою. Такими дефектами є об'ємні, поверхневі, лінійні й точкові.

Об'ємні дефекти мають значну довжину в усіх напрямках. Прикладами таких дефектів є усадочні. Газові раковини, тріщини, що утворилися на різних етапах технологічного процесу виробництва злитків, литті або при подальшій обробці цих напівфабрикатів.

Поверхневі дефекти. Значні порушення порядку розташування атомів спостерігаються в місцях стику зерен, що зрослися при кристалізації. Границя між зернами являє собою тонку, в порівнянні з розміром зерна, поверхневу зону з максимальним порушенням порядку в розташуванні атомів. Порушення порядку в прикордонних зонах зерен звичайно посилюється скупченням у цих ділянках різного роду сторонніх зерен. Однак і усередині зерна ніколи не спостерігається ідеальна будова кристалічної решітки. Установлено, що кожне зерно складається з окремих елементів – блоків, розмір яких коливається в межах 10^-3 10^{-5 см}.

Точкові дефекти. При кристалізації окремі вузли решітки можуть бути не зайняті атомами, або окремі атоми можуть виявитися в просторі між вузлами. Ці дефекти називаються відповідно вакансіями й дислокованими атомами. Решітка біля таких дефектів на відстані двох-одного-двох періодів знаходиться в пружнодеформованому стані. Такі дефекти малих розмірів називаються точковими. Точкові дефекти виникають через стороні атоми, кількість яких у технічно чистих металах досить велика. Особливо багато таких атомів у сплавах.

Утворення точкових дефектів відбувається в результаті явища дифузії, яке пов'язане з витратою енергії. Точкові дефекти не закріплені в певних об'ємах зерна. Вони безупинно переміщаються в результаті процесів дифузії.

n - число атомів;

Е - енергія вакансії.

Перш ніж розглядати дифузію в кристалах, необхідно визначити сутність такого поняття, як флуктуація. У широкому розумінні флуктуація - безладне відхилення випадкових величин в обидва боки від їхнього середнього значення. Наявність флуктуації обумовлена двома основними факторами: переривчас -тістю матерії (атомної структури речовини) і тепловим рухом часток. Середня теплова енергія коливальних атомів, залежно від температури, становить 0,025…0,27еВ. Для того щоб дифузія стала можливою, потрібна флуктуація енергії окремих атомів. Величина флуктуації енергії атомів Е_фл повинна бути більше енергії активації дифузії Q.

D=D₀exp(-Q/R_t)

де Q- енергія активації, тобто енергія, необхідна для того, щоб здійснити перехід атома з одного положення в інше.

Так атом на поверхні може випаруватися з решітки, залишаючи вакансію. Через деякий час на це місце може перейти інший атом, з більш глибокого шару. Завдяки цьому вакансія дифундує у середину кристала. Кристал як би поглинає порожнечу. Так само можуть переміщатися сторонні атоми: при цьому протікають процеси гетеродифузії. Гетеродифузія буває різних видів:

1. Коли гетероїдні атоми переходять із одного кута решітки в інший вузол. Для цього потрібне видалення з вузла решітки атома основного металу.

2. Значно легше дифундують атоми з малими розмірами, які містяться в порах решітки.

3. Через сильне перекручування решітки по границях зерен, дифузія в цих частинах протікає особливо легко.

Вакансії й міжвузлові атоми анігілюють при зустрічі (взаємно знищуються) однак це відбувається рідко, через малу концентрацію міжвузло- вих атомів. При зустрічі вакансій може відбуватися їхнє скупчення, а також переродження їх в інші види дефектів - у тріщини й лінійні дефекти (дислокації). У цьому випадку, мабуть, має місце послаблення металу, тобто точкові дефекти впливають на міцність металів.

Лінійні дефекти - дислокації. Питання міцності й практичності металів і інші проблеми металознавства знаходять своє пояс -нення при використанні теорії дислокації. Найпро -стішими видами дислокації є крайова й гвинтова дислокації.

Якщо одна з атомних площин обривається в середині кристала, то місце обриву її утворить крайову дислокацію. При гвинтовій дислокації немає обриву усередині кристала якої-небудь із атомних площин, але самі атомні площини являють собою систему, подібну до гвинтових сходів. Власне кажучи, це одна атомна площина, закручена по гвинтовій лінії.

Якщо площина перебуває у верхній частині кристала, то крайову дислокацію вважають позитивною й позначають знаком _┴, а якщо в нижній частині кристала, то дислокація негативна й позначається знаком ^┬.

Гвинтова дислокація – це одна атомна площина, закручена по гвинтовій лінії. Якщо обходити по цій площині навколо осі гвинтової дислокації, то з кожним оборотом будемо підніматися або опускатися на один крок гвинта, рівний міжплощинній відстані (у випадку крайової дислокації, найбільше перекручування решітки буде поблизу осі дислокації). Область поблизу осі дислокації радіусом у декілька міжатомних відстаней, у яких перекручування решітки великі, називається ядром дислокації. Будь-яка конкретна дислокація може бути представлена як сполучення крайової й гвинтової дислокації. Точкові дефекти типу вакансій є в кожному кристалі, як би ретельно вони не вирощувалися. Більше того, в реальному кристалі вакансії постійно зароджуються й зникають під дією теплових флуктуацій. По формулі Больцмана рівноважна концентрація вакансій n_в, у кристалі при температурі Т визначається так:

n_в=n∙ exp(-E_в/kt),

де n - число атомів в одиниці об'єму кристала,

е - основа 7натуральних логарифмів,

К - постійна Больцмана,

E_в – енергія утворення вакансій.

Для більшості кристалів енергія утворення вакансій приблизно дорівнює 1 ев., при кімнатній температурі kТ =0,02 Гев., отже n_в/n =10^-14 . При підвищенні температури відносна концентрація вакансій швидко зростає: при Т=600 К вона досягає 10^-5, а при Т=900 К – 10^-2.

Аналогічні міркування можна зробити щодо концентрації атомів впро- вадь ження, з урахуванням того, що енергія утворення впроваджень значно більша. Хоча відносна концентрація атомних дефектів може бути невеликою, але зміни динамічних властивостей кристала, викликані ними, можуть бути величезними. Атомні дефекти можуть впливати на механічні, електричні «магнітні й оптичні» властивості кристалів; тисячні частки атомного відсотка деяких домішок до чистих напівпровідникових кристалів змінюють їхній електричний опір в 10⁵ – 10⁶ разів. Дислокації, будучи дефектами кристала, охоплюють своїм пружним полем перекручені решітки набагато більше число вузлів, чим атомні дефекти. Ширина ядра дислокації становить усього кілька періодів решітки, а довжина його досягає декілька тисяч періодів. Енергія дислокації розрахована на одну міжатомну відстань уздовж довжини дислокації (для різних кристалів лежить у межах від 3 до 30 ев). Така велика енергія, необхідна для створення дислокацій , є причиною того, що число їх практично не залежить від температури. Навідміну від вакансій, імовірність виникнення дислокацій за рахунок флуктуацій теплового руху, розраховане для всього інтервалу температур, у якому можливий кристалічний стан.

Найважливішою властивістю дислокації є їхня легка рухливість і активна взаємодія між собою й з будь-якими іншими дефектами решітки. Для руху дислокації досить створити напругу зрушення близько 0,1 кг/мм. Під впливом такої напруги дислокація буде переміщатися в кристалі, поки не зустріне яку-небудь перешкоду, якою може бути границя зерен, інша дислокація, атом впровадження й т.д. При зустрічі з перешкодою дислокація викривляється, огинає перешкоду, утворює дислокаційну петлю, що розширюється, яка потім відшнурується й утворить окрему дислокацію. Таким чином, видно, що при взаємодії дислокацій, що рухаються, з перешкодами відбувається зростання числа дислокацій. При пластичних деформаціях щільність дислокацій зростає в тисячі, а іноді й у мільйони разів.