Точечные дефекты кристаллического строения. Дислокация. Вектор Бюргерса. Плотность дислокаций.

Точечные дефекты

Точечные дефекты характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диамет­ров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристал­лической решетки — вакансии (дефекты Шоттки); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки — дислоци­рованные атомы (дефекты Френкеля); в) атомы других элементов, находя­щиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки — при­месные атомы.

Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздей­ствием тепловых, механи­ческих, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.

Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вследствие тепловых движений атомов. В характерных для металлов решетках энергия образования дислоцированных атомов значительно больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому основными точечными дефектами в металлах являются тепловые вакансии. При комнатной температуре концен­трация вакансий сравнительно невелика и составляет около 1 на 1018 атомов, но резко повышается при нагреве, особенно вблизи температуры плав­ления. Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии.

Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии — перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для данного металла. Перемещение атомов осуществляется путем обмена местами с вакансиями. Различают самодиффузию и гетеродиффузию. В первом случае перемещения атомов не изменяют их концентрацию в отдельных объемах, во втором — сопровождаются изменением концентрации. Гетеродиффузия характерна для сплавов с повышенным содержанием примесей.

Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление.

Вакансии, дислоцированные атомы и другие точечные дефекты обна­ружены при исследовании металлов с помощью автоионного микроскопа, дающего увеличение свыше 106 раз.

Дислокация, - это линейный дефект в кристаллической атомной решетке, выраженный неодинаковым числом атомов в соседних частях кристалла, приводящим к сгущению (или разрежению) в расположении атомов. Различают два вида дислокаций: краевую и винтовую.

Краевая дислокация является краем одной "лишней" атомной плоскости, словно расклинивающей кристалл. Она соответствует ряду несовпадающих атомов вдоль края дополнительной неполной плоскости атомов в пределах кристалла.

Винтовая дислокация, как и краевая, представляет собой результат как-бы сдвижения части одного участка в кристалле относительно другого. Она соответствует оси спиральной структуры в кристалле, характеризуемом искажением, которое присоединяется к нормальным параллельным плоскостям, вместе формирующим непрерывную винтовую наклонную плоскость (с одним периодом), вращающуюся относительно дислокации.

Наиболее распространена так называемая смешанная дислокация, которая является любой комбинацией краевой и винтовой дислокаций. Возле линий дислокаций структура кристалла деформируется с затуханием искажения обратно пропорционально расстоянию от этой линии.

Все дислокации характеризуются вектором Бюргерса. Хотя такие дефекты структуры могут возникать при росте, любую дислокацию можно представить как результат перемещения части структуры по плоскости скольжения в направлении скольжения. Направление и величина перемещения и определяют собой вектор Бюргерса. В краевой дислокации он перпендикулярен линии дислокации, в винтовой - параллелен, а в смешанной находится под острым углом. Если в идеальном кристалле провести замкнутый контур, а затем попытаться провести такой же контур вокруг области с дислокацией, контур будет разорван, а вектор, который нужно провести для замыкания этого контура, и есть вектор Бюргерса дислокации.

Во всякой дислокации существуют недостаточно компенсированные межатомные связи. С ними и с полем деформации около дислокации связано локальное повышение внутренней энергии и энтропии атомов на дислокации и около неё. Величина внутренней энергии дислокации пропорциональна длине дислокации и квадрату вектора Бюргерса.

Дислокации, как и точечные дефекты, могут перемещаться по кристаллической решётке. Однако движение дислокаций связано с большими ограничениями, так как дислокация всегда должна быть непрерывной линией. Возможны два основных вида движений дислокаций: переползание и скольжение. Переползание дислокаций происходит благодаря добавлению или удалению атомов из лишней полуплоскости, что может происходить вследствие диффузии. При скольжении дислокации лишняя полуплоскость, занимавшая определённое положение в кристаллической решётке, соединяется с атомной плоскостью, находящейся под плоскостью скольжения, а соседняя атомная плоскость становится тогда лишней полуплоскостью. Такое плавное скольжение линии дислокации вызывается действием напряжений сдвига, приложенных к поверхности кристалла.

Вектор Бю́ргерса (b) — количественная характеристика, описывающая искажения кристаллической решёткивокруг дислокации.

Важнейшие виды линейных дефектов — краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация представляет собой край «лишней» полуплоскости в решётке. Вокруг дислокаций решётка упруго искажена.

Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций

Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он получается, если в реальном кристалле обойти контур, который был бы замкнутым в идеальном кристалле (например, в примитивном кристалле кубической сингонии это контур «n связей вверх, m связей вправо, n связей вниз, m связей влево»), заключив дислокацию «внутрь» контура. Как видно на рисунке, в реальном кристалле контур окажется незамкнутым. Вектор b, который нужен для замыкания контура, называется вектором Бюргерса ^[1].

Определение вектора Бюргерса

Величина и направление вектора не зависят от размеров контура Бюргерса и выбора точки начала контура, а полностью определяются видом дислокации. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации — параллелен ей.

Полные дислокации легко перемещаются под действием напряжений в отличие от частичных дислокаций, у которых вектор Бюргерса меньше межатомного расстояния.

Скачок вектора Бюргерса в некоторой точке означает, что дислокация ветвится. Если точек ветвления нет, то вектор Бюргерса остаётся неизменным вдоль всей длины дислокации, поэтому дислокация не может начинаться или обрываться внутри кристалла.

Внутри кристалла дислокации связаны в единую объемную сетку; в каждом узле сетки соединены три дислокации и сумма их векторов Бюргерса равна нулю.

В кристаллах содержатся дислокации разных знаков, различающиеся ориентаций векторов Бюргерса. Дислокации одного знака, расположенные в одной плоскости, отталкиваются друг от друга, а противоположных знаков — притягиваются.

Плотностьдислокаций-суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема; измеряется в см². Уотожженного металла плотность дислокаций 10⁷ — 10⁸ см², у металла после сильной холодной деформации— 10¹¹-10¹² cм². Плотность дислокаций определяют с помощью просвечивающей электронной микроскопии;