Дәріс. Кристаллдық тордың ақаулар

Нақты кристалдарды құрылысы идеал кристалдардан өзгеше болады. Нақты кристалдарда әрдайым ақау болады, сондықтан кристалдың барлық көлемiнде атомдардың идеалды дұрыс қалыпта орналасуы мүмкiн емес.

Кристалдық құрылыстың ақауы қозғалмалы болып келедi, әрі олар жылжи алады және бiр-бiрiмен әрекетке түседi. Әр түрлi ақаулардың орын ауыстыру жылдамдығы әр түрлi болуына қарамастан, қыздыру кезiнде ақаулардың қозғағыштығының және өзара әрекеттесуiнiң нәтижесiнде өзгерiп отырады. Қыздырылған металда басқаларынан гөрi ақаулары аз болады. Шынықтыру, деформациялау және т.б. өңдеулерден кейiн нақты кристалдардағы ақаулардың концентрациясы артады.

Кристалл құрылысының дұрыстығын бұза отырып, ақаулар термодинамикалық орнықсыз күйде болады. Бiрақ олар қажеттi кинетикалық шарттардың болмау әсерiнен жоғалып кетпейдi.

Кристалдық ақаулар нүктелiк, сызықтық және беттiк болып ажыратылады. Нүктелiк ақаудың мөлшерi атомаралық қашықтықпен шамалас. Сызықтық ақаудың ұзындығы енiнен бiрнеше есе артық болады; беттiк ақаудың қалындығы өте жұқа, ал енi мен ұзындығы оның қалындығынан бiрнеше есе артық болып келедi.

Нүктелiк ақаулар. Қарапайым нүктелiк ақауларға: бос орын (вакансия), түйiн аралық атом және қоспа атомдар жатады (2-сурет).

Нүктелiк ақаулар тор iшiнде үздiксiз орын ауыстырып отырады. Бос орынмен көршiлес атом, сол бос орынға ауысып, өз түйiнiн бос қалдыруы мүмкiн. Түйiнге ондайда басқа атом ауысады. Бұл жағдай бос орыннан бiр атомаралық қашықтыққа орын ауыстыруымен пара-пар. Одан әрi процес үздiксiз жаңадан қайталанып отырады. Температура жоғарылаған сайын, бос оындар көбейе түседi әрi олар бiр түйiннен екiншi түйiнге жиi ауысады. Бос орындар маңызды нүктелiк ақау болып есептеледi және олар термиялық активтi процестердi (диффузияны, аса қаныққан қатты ерiтiндiнiң ыдырауын, ұнтақтардың жентектелуiн т.б.) жеделдетедi.

Барлық нүктелiк ақаулар кристалдық торды бұзады, кристалдың электр кедергiсiн артырады және белгiлi бiр дәрежеде кристалды берiк етедi.

2-сурет. Кристалдық тордағы нүктелік ақаулар

 

Сызықтық ақаулар. Сызықтық ақаудың маңызды түрлерi шеттiк және бұрандалы дислокациялар болып табылады.

Шеттік дислокация – тордағы «артық» жарты жазықтықтың шекарасы:

 

3-сурет. Сызықтық ақаулар

Дислокацияның маңында тор серпiмдi түрде бұзылады және оның энергиясы жоғарылау болады. Бұзылу өлшемiне Бюргерс векторы деп аталатын шама алынады. Дислокацияның идеал кристалдағы тұйық контур iшiнде бiр түйiннен екiншi түйiнге ауыса отырып, сол контурды айналып шығу процесiн нақты кристалда да қайтайлайтын болсақ, Бюргерс векторы шығады. Нақты кристалдағы контур, 4-суреттен көрiнiп тұрғандай, ашық контур болып келедi. Контурды жабуға керектi вектор Бюргерс векторы деп аталады. Шеттік дислокацияда Бюргерс векторы атомаралық қашықтыққа тең әрi дислокация сызығына перпендикуляр. Бұрандалы дислокацияда да, сондай-ақ Бюргерс векторы атомаралық қашықтыққа тең, бiрақ ол дислокация сызығына параллель болып келедi. Бюргерс векторы дислокацияның сипаттамасы бола алады. Ол дислокацияның энергиясын, қозғалғыштығын т.б. қасиеттерiн анықтайды. Сан шамасы бiр-бiрне тең, бiрақ қарама-қарсы бағытталған Бюргерс векторы бар дислокациялар әр түрлi таңбалы дислокация болып есептеледi. Таңбасы бiрдей дислокациялар бiр-бiрiне тебеді, ал қарама-қарсы таңбалы дислокациялар бір-біріне тартылады.

 

 

 

а-тұйық контур; б-ашық контур.

4-сурет. Бюргерс векторын анықтау

 

Атомаралық қащықтыққа тең Бюргерс векторлы дислокациялар толық делініп, ал Бюргерс векторы атомаралық қашықтықтан кіші келетін дислокациялар ішінара дилокациялар деп аталады. Толық дислокацияға қарағанда ішінара дислокацияның қозғалғыштығы кемдеу болады.

5-сурет. Бұрандалы дислокация

Беттiк ақаулар. Өнеркәсiпте поликристалды, сондай-ақ монокристалды материалдар пайдаланылады. Алғашқы жағдайда материал мөлшерi өте көп ұсақ кристалдардан (немесе түйiршiктерден) тұрады. Әрбір түйiршiктiң кристаллографиялық жазықтығы әр түрлi бағытталған. Әрбiр кристалл, өз кезегiнде, субтүйiрлерден немесе блоктардан тұрады. Субтүйiршiк – салыстырмалы түрде кристалдың дұрыс құрылған бөлiгi.

Маңызды беттiк ақаулар: түйiршiктер мен субтүйiршiктердiң шекарасы, сондай-ақ жинақтау ақаулары. Ақаудың өлшемi беттiк энергия болып есептеледi.

Түйiршiктердiң шекарасы – енi 10 атом аралық қашықтыққа дейiн баратын ауыспалы аймақ. Бұл аймақта бiр кристалл торы екiншi бiр кристалл торына ауысады. Ауыспалы қабаттың құрылысы күрделi. Ауыспалы қабатта атомдар дұрыс орналаспайды, дислокациялар жиынтығы кездеседi, беттiк энергияны кемiтетiн қоспа концентрациясы да жоғары болады. Түйiршiктер арасындағы шекараны үлкен бұрышты шекара деп атайды, өйткенi көршiлес түйiршiктердiң сәйкес кристаллографиялық бағыттары ондаған градусқа жететiн бұрыш жасайды.

 

6-сурет. Түйіршіктер арасындағы шекара құрылысының схемасы

 

Субтүйiршiктердiң шекарасы дислокацияның қабырғасы болып саналады. Ол қабырғалар түйiршiктердi жекелеген субтүйiршiктерге немесе блоктарға ажыратады. Көршiлес субтүйiршiктердiң арасындағы бағыттардың жанасатын бұрышы аса үлкен емес (5°-тан аспайды). Сондықтан мұндай шекаралар шағын бұрышты шекаралар деп аталады. Шағын бұрышты шекараларға, сондай-ақ қоспалар да жиналады.

Жинақтау ақауы атом жазықтығының бөлiгi болып есептеледi. Бұл жазықтық шегiнде атомдық қабаттардың кезектесе орналасуының қалыпты тәртiбi бұзылады. Мысалы, қырға центрленген текше (Қ.Ц.Т.) торлы қорытпаларда тығыз орналасқан қабаттар АВСАВСАВ… болып, ал жинақтау ақаулардың қиылысқан жерiнде АВСВСАВС… тiзбегі түрiнде кезектеседi. Қабаттардың ВСВС… болып кезектесуi гексогоналдық тығыз орналасқан (Г.Т.О.) торлы жұқа пластинка тәрiздi болады. Жинақтау ақауы дислокациялармен тығыз байланыста болып келедi, әрi баяу қозғалатын iшiнара дслокациялармен шектеледi. Беттiк энергиясы азайған сайын жинақтау ақаудың заттың қасиеттерiне тигiзетiн әсерi кең әрi күштiрек болады. Жинақтау ақауы электр кедергiсiне, деформациялау кезiндегi берiктiлiкке қайта кристалдануға, фазалық ауысулардың кристаллографиясына әсер етедi.