Поверхностные дефекты кристаллической решетки.

Кристаллографические плоскости.

Для определения индексов кристаллографической плоскости необходимо:

• установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки;
• взять обратные значения этих величин; (привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел.)

Полученные значения простых целых чисел, являются индексами Миллера. Они характеризуют расположение атомных плоскостей в кристалле. Индекс по оси показывает, на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Для плоскости, указываются в круглых скобках. Плоскости, параллельные оси, имеют по ней индекс 0 .

Если плоскость параллельна двум осям координат,например y и z,то отрезки отсекаемые на осях будут: 1;∞; ∞; , а обратные величины это: 1/1; 1/∞;1/∞; , то индексы Миллера имеют вид (1,0,0)

Если плоскость параллельна одной оси координат, то отрезки будут (1;∞;1), соответствовать индексам Миллера (1,0,1)

Если плоскость отсекает отрезки на каждой оси, то (1,1,1) (октаэдр)

Кристаллографические направления.

Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо:

• одну точку направления совместить с началом координат;
• установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки;
• привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целых чисел.

Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобках [111].

Дефекты кристаллического строения.

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Классифицируются дефекты по их измерениям в пространстве:
- точечные – малые во всех трех измерениях;
- линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;
- поверхностные – малые в одном измерении.

Точечные дефекты.

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей (рис. 2.2).

Рис.2.2 Точечные дефекты

а) – вакансия, б) – межузельный атом, в) – чужеродный атом.

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин.

Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д.), в результате пластической деформации.

Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

а) дефектШоттки-атом выходит на поверхность

кристалла, и образующаяся вакансия

мигрирует (перемещается) в глубь кристалла.

рис. 2.3 а) б) б) дефект Френкеля - два дефекта – вакансия и

внедренный атом;

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Линейные дефекты.

Линейные дефекты (дислокации) – это цепочки атомов одной плоскости, сдвинутые относительно другой плоскости.

Простейшие виды дислокаций – краевые (Тейлора)и винтовые.

Краевая дислокацияпредставляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 1.4).

Неполная плоскость называется экстраплоскостью.

Рис. 2.4. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма.

Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу. Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 1.5).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная ( ). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.

Рис. 2.5. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация.

Винтовая дислокацияполучена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF. На поверхности кристалла образуется ступенька, [проходящая от точки Е до края кристалла.] Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту [в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.]

Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.

Рис. 2.6. Механизм образования винтовой дислокации.

Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.
Плотность дислокаций в кристалле определяется как суммарная длина линий дислокаций в объеме1 м³. Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала.

(см^-2; м^-2).

Движение дислокаций под действием касательных напряжений называется скольжением. Под действием одних и тех же сдвигающих напряжений дислокации разных знаков движутся в прямо противоположных направлениях.

Поверхностные дефекты кристаллической решетки.

К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен.

Объёмные дефекты кристаллической решетки.
К объёмным, или трехмерным дефектам кристаллической решетки относятся трещины и поры. Наличие трещин резко снижает прочность как материалов на металлической основе, так и неметаллических материалов. Это связано с тем, что острые края трещин являются концентраторами напряжений.Позволяют найти их рентгеном, ультразвуком.

Вывод: все виды дефектов в не зависимости от причины их возникновения приводят к нарушению равновесного состояния решетки и увеличивают ее внутреннюю энергию.