1.3. Дефекты кристаллической решетки
В реальных кристаллах, из которых состоят материалы, да и в монокристаллах встречается большое количество дефектов, которые оказывают влияние на свойства материалов и их обработку.
Различают следующие дефекты кристаллической решетки: точечные, линейные, поверхностные.
1.3.1. Точечные дефекты
Образование точечных дефектов связано с диффузным (тепловым) передвижением атомов и наличием в металле примесей, искажающих кристаллическую решетку.
Атомы совершают колебательные движения относительно узлов кристаллической решетки и имеют среднюю энергию, определяемую температурой, причем чем больше температура, тем больше амплитуда колебаний. Но всегда имеются атомы, энергия которых значительно больше (или меньше) среднего значения энергии. Если их энергия больше среднего значения, то атомы могут не только удалиться от своего положения равновесия, но и, преодолев потенциальный барьер, перейти в междоузлье, образовав внедренный атом, или выйти на поверхность материала. Место, где находился атом, называется вакансией, или дыркой (Рис.1.5.а). На это место перемещается другой атом и т. д., т.е. дырка как бы перемещается внутри кристалла. С ростом температуры дырок становится больше и при температурах близких к температуре плавления их становится порядка 1% к числу атомов.
Образование внедренных атомов и вакансий искажает кристаллическую решетку на 5 – 6 периодов. Но образование вакансий не всегда связано с выходом атома в междоузлье, поэтому число дыр и внедренных атомов не равно Например, в меди при температуре 200 С вакансий в 1050 больше, чем внедренных атомов.
Рис. 1.5. Дефекты в кристаллах: а – вакансия; б - внедренный атом; с - краевая линейная дислокация; г - неправильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2.
Образование дырок происходит за счет испарения атомов с поверхности, а также их источниками могут быть трещины, границы зерен, дислокации. Скопление вакансий образует в кристаллах поры и каналы, которые можно уже отнести к объемным дефектам.
Точечные несовершенства появляются и в результате внедрения инородных атомов примесей (Рис.1.5.б), которые, как правило, присутствуют даже в самых чистых металлах. Понятие чистый металл является условным, при его использовании для практических целей всегда оговаривается степень его чистоты. Она обозначается числом «9», например чистота полупроводникового германия 99,99999% - означает, что примеси в данном материале содержаться в количестве 0,00001%. Примеси могут сильно влиять на ряд свойств металлов.
1.3.2. Линейные дефекты кристаллической решетки
Наиболее распространенным и очень важным особенно с точки зрения прочностных свойств металлов являются дефекты, имеющие протяженность только в одном направлении или так называемые линейные дефекты - дислокации. Наиболее распространенной является краевая дислокация. Обозначаются дислокации .
Образуются дислокации в результате локальных или местных смещений кристаллографических плоскостей происходящих в решетке. В результате чего, появляется, как бы лишняя полуплоскость, Рис.1.5.в), длина которой, может достигать нескольких тысяч межатомных расстояний, а ширина мала – несколько атомных расстояний. Край экстра-плоскости, перпендикулярный направлению сдвига, называется краевой или линейной дислокацией. Кроме линейной различают и винтовую дислокацию. В этом случае атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности (Рис.1.6.).
Рис.1.6. Схема образования винтовой дислокации (а) и расположение атомов в кристалле с винтовой дислокацией (б).
Плотность дислокаций составляет в недеформированном металле величину порядка 1012 – 1013 см-2 при наличии примесей порядка 0,05%. Дислокации образуются в процессе кристаллизации, деформации, термической обработки и других процессах.
Для дислокаций характерна их легкая подвижность. Это объясняется тем, что атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние.
Под действием механических нагрузок, приложенных к кристаллу, происходит не только движение дислокаций, но и появление новых. При сближении двух дислокаций может происходить увеличение упругих напряжений вблизи дислокаций, но может иметь место и процесс аннигиляции (уничтожения) дислокаций. Для каждого кристаллического материала существует критическая плотность дислокаций, превышение которой приводит к замедлению их движения.