Файл: дефекты.pdf

Рис.1.2.

Вклад в теплоемкость, связанный с образованием точечных дефектов вблизи температуры 
плавления

Миграция точечных дефектов

Перемещение атома на вакантное место в слое плотнейшей упаковки

Атомы, совершающие колебательное движение, непрерывно обмениваются энергией. Из-за 

хаотичности   теплового   движения   энергия   неравномерно   распределена   между   разными 
атомами. В какой-то момент атом может получить от соседей такой избыток энергии, что он 
займет   соседнее   положение   в   решетке.   Так   осуществляется   миграция   (перемещение) 
точечных дефектов в объеме кристаллов.

Изменение энергии атома при перемещении его в вакантный узел

Если один из атомов, окружающих вакансию, переместится в вакантный узел, то вакансия 

соответственно   переместится   на   его   место.   Последовательные   элементарные   акты 
перемещения  определенной   вакансии   осуществляются   разными   атомами.   На   рисунке 
показано, что в слое плотноупакованных шаров (атомов) для перемещения одного из шаров в 
вакантное   место   он   должен   раздвинуть   шары   1   и   2.   Следовательно,   для   перехода   из 
положения в узле, где энергия атома минимальна, в соседний вакантный узел, где энергия 
также   минимальна,   атом   должен   пройти   через   состояние   с   повышенной   потенциальной 
энергией, преодолеть  энергетический барьер.  Для этого и  необходимо  атому получить  от 
соседей избыток энергии, который он теряет, «протискиваясь» в новое положение. Высота 

энергетического барьера Em называется энергией активации миграции вакансии.

Комплексы точечных дефектов

Простейший   комплекс   точечных   дефектов   —   бивакансия   (дивакансия):   две   вакансии, 

расположенные в соседних узлах решетки. Большую  роль в металлах и полупроводниках 
играют комплексы, состоящие из двух и более примесных атомов, а также из примесных 
атомов и собственных точечных дефектов. В частности, такие комплексы могут существенно 
влиять на прочностные, электрические и оптические свойства твердых тел.

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.

Типы дислокаций

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.

Краевая дислокация

Краевая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное для 

случая   простой   кубической   решетки   на   рис   2.1.   На   этом   рисунке   изображена   "лишняя 
половинка" плоскости, помещенная между двумя другими целыми соседними плоскостями. 
Атомы   этих   целых   плоскостей   восстановили   связи   друг   с   другом,   при   этом   вблизи   края 
вставленной   полуплоскости   возникли   очень   сильные   деформации.   Линию,   проходящую 
через край лишней полуплоскости, называют линией краевой дислокации, а иногда просто 
краевой   дислокацией.   По   этой   причине   дислокацию   относят   к   линейным   дефектам.   Она 
проходит   через   места,   находящиеся   около   границы   лишней   полуплоскости,   с   наиболее 
сильными   искажениями   кристаллической   решетки,   вызванными   этой   полуплоскостью. 
Область   сильных   искажений   вблизи   дислокации   простирается   на   2-3   периода 
кристаллической решетки. На больших расстояниях искажения малы и их можно описывать 
в рамках теории упругости.

Рис. 2.1

Схема расположения атомов вблизи краевой дислокации

Винтовая дислокация

Винтовая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное на 

рис 2.2 для случая простой кубической решетки. На этом рисунке атомы, расположенные 
слева от половинки плоскости А, остались на месте, а атомы справа от нее смещены вниз на 
одно   межплоскостное   расстояние.   При   этом   вблизи   линии   В   возникли   очень   сильные 
деформации.   Линию   В,   проходящую   через   границу   полуплоскости   А   и   оставшейся 
полуплоскости также называют винтовой дислокацией.  В  случае винтовой дислокации все 
плоскости перестали быть обособленными, они как бы слились в одну сложную винтовую 
поверхность   с   осью   В.   Изображенная   на   рис.   2.2   поверхность   обеспечивает   подъем   при 
движении   против   часовой   стрелке   вокруг   линии   В   (если   смотреть   сверху).   Может   быть 
построена такая же поверхность, которая обеспечивает подъем при движении по часовой 
стрелки вокруг линии В (для этого надо было правую часть кристалла на рис. 2.2 смещать не 
вниз, а вверх). Поэтому винтовые дислокации бывают правовинтовые и левовинтовые.

Рис. 2.2

Схема расположения атомных плоскостей вблизи винтовой дислокации

Плотность   дислокации   в   значительной   мере   определяет   пластичность   и   прочность 

материала. Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций ρ = 
105 - 107 м

2

. 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  —

10

16

 м

2

. 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.