§ 92. ДЕФЕКТЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

Идеально строгая периодическая структура кристалла обычно наблюдается только в сравнительно небольших объемах. Структура реальных монокристаллов искажена примесными частицами (частицами других веществ) и различными нарушениями правильности йространственной решетки. Под дефектами кристалла понимают всякого рода нарушения правильности его структуры, то, что отличает реальный кристалл от химически чистого и совершенного в структурном отношении твердого тела. Наличие дефектов оказывает значительное влияние на физико-химические свойства кристаллов. В физике твердого тела изучение дефектов подчинено прежде всего разработке методов управления дефектами и созданию твердых тел с нужными для практики свойствами.

Остановимся кратко на описании некоторых основных видов дефектов

1. Точечные дефекты. Такие дефекты связаны с нарушением структуры в отдельных точках кристалла. Среди упорядочение расположенных узлов кристалла попадаются узлы, не занятые соответствующими частицами (рис. 9.12, а); такие узлы называются вакантными узлами или просто вакансиями. Иногда узел может оказаться занятым частицей другого сорта, которую называют примесью замещения (рис. 9.12, б). В случае когда между узлами кристаллической решетки внедряются посторонние примесные частицы

Рис. 9.12.

(обычно малых размеров, рис. 9.12, в), то их называют примесями внедрения.

2. Дислокации. Нарушение идеальной структуры кристаллов может происходить не только в точках, но и вдоль линий и плоскостей. Такого рода нарушения структуры называют дислокациями.

а) Краевая дислокация — это дополнительная неполная кристаллографическая плоскость, расположенная, например, так, как это показано на рисунке 9.13 — значком Дислокация расположена вдоль линии, перпендикулярной к плоскости рисунка. Очевидно, кристалл вблизи от дислокации должен находиться в напряженном состоянии вследствие внедрения в него незастроенной плоскости. Нормальный порядок частиц восстанавливается на расстояниях в несколько атомных диаметров от дислокации.

В идеальном кристалле пластическая деформация должна происходить за счет разрыва межатомных связей в кристаллической решетке, как это схематически показано на рисунке 9.14. На этом рисунке изображены три последовательные стадии процесса неупругой деформации сдвига. Под действием касательных сил, показанных стрелками, части идеального кристалла оказались смещенными относительно друг друга в результате одновременного разрыва связей по всей плоскости, отмеченной пунктиром. Расчет сил, необходимых для осуществления такого рода процессов, показывает, что они должны быть намного больше экспериментально получаемых значений. Это объясняется тем, что в действительности пластическая деформация в реальных телах происходит за счет не одновременного, а поочередного разрыва связей, обусловленного движением дислокаций, как это схематически показано на рисунке 9.15. На этом рисунке показаны четыре последовательные стадии движения краевой дислокации под действием касательных сил. При этом межатомные связи рвутся у атомов поочередно ряд за рядом (вместо одновременного разрыва связей по всей плоскости). Именно поэтому для скольжения при наличии краевых дислокаций требуются сравнительно небольшие усилия. Дислокации — это своеобразные «ножницы», позволяющие рвать связи не одновременно, а поочередно. В разобранном примере процесс заканчивается относительным смещением частей кристалла и исчезновением (выходом наружу) краевой дислокации (рис. 9.15, г).

Механизм пластической деформации при растяжении аналогичен деформации при сдвиге. Дело в том, что при больших

Рис. 9.13.

Рис. 9.14.

Рис. 9.15.

растягивающих усилиях в цилиндрическом монокристалле образуются плоскости скольжения, как это показано на рисунке 9.16. При этом смещаются не отдельные атомы плоскости, а целые группы плоскостей, что удается наблюдать под микроскопом с увеличением всего только в 100—200 раз.

б) Винтовая дислокация показана на рисунке 9.17. Она образуется в результате смещения атомов одной части кристалла по отношению атомов другой его части, в результате вокруг линии дислокации образуется наклонная плоскость в виде спирали (на рис. 9.17 линия абвг — винтовая линия).

3. Плоские дефекты. Наиболее очевидным проявлением плоских дефектов является наличие зерен (границ зерен) в поликристаллическом материале. Поликристаллическое тело состоит из множества небольших соединенных между собой кристаллов (зерен), ориентированных произвольным образом (рис. 9.18). Слои частиц у границы между зернами представляют собой области проявления плоских дефектов. Эти области имеют ширину в несколько атомных диаметров и обеспечивают контакт между соседними различно ориентированными областями.

Рис. 9.16.

Рис. 9.17.

Рис. 9.18.

Обычно зерна в поликристалле не соответствуют форме правильного кристалла, их поверхности имеют случайные ориентации. При повышении температуры подвижность частиц увеличивается и некоторые зерна начинают расти за счет других (вторичная рекристаллизация). Этот процесс имеет большое значение в технологии металлов. Интересно отметить, что наличие зерен приводит к упрочнению металлов (к уменьшению влияния краевых дислокаций). Для движения дислокаций препятствием являются границы между зернами.

Дислокации закрепляют также путем введения примесей. Введенные при высоких температурах примеси концентрируются в области дислокаций. При низких температурах атомы примесей теряют подвижность и не дают дислокациям свободно перемещаться по кристаллу.

В некоторых случаях достаточно очень небольшой примеси (порядка и меньше) для закрепления дислокаций. Этим объясняется сильное влияние малых добавок на механические свойства металлов.

Дислокации и их движение можно наблюдать с помощью электронных микроскопов. У обычных кристаллов плотность дислокаций на их поверхности очень велика и составляет примерно Сейчас удается выращивать из расплавов монокристаллы почти без дислокаций. Например, прочность бездислокационных «усов» олова (монокристаллов в форме тонких цилиндров) оказалась близкой к прочности идеального кристалла, рассчитанной из сил притяжения между атомами.