Неідеальність будови та властивості реальних кристалів

В дійсності в реальних металічних кристалах є значна кількість місць, в яких ідеальне розміщення атомів порушено.

В кристалі існує значне число дефектів. Дефекти кристалічної будови рухомі, вони можуть зближатись і вступати у взаємодію між собою, при підвищенні температури рухомість дефектів збільшується, хоча швидкості переміщення різноманітних дефектів залишаються різними. Завдяки рухомості дефектів і зваємодії їх між собою, концентрація в кристалі змінюється. Концентрація дефектів в реальних кристалах після закалки, деформації та інших видів обробки збільшується. Порушуючи правильність будови, кристалічні дефекти по своїй суті термодинамічно нестійкі, але вони не зникають за відсутності умов.

Таким чином, наявність дефектів говорить про те, наскільки можливе створення матеріалів з певними технологічними властивостями.

Дефекти в кристалі характеризуються розмірністю, по якій вони діляться на 4 групи:

· Точкові

· Лінійні

· Поверхневі

· Об’ємні

Розміри точкового близькі до міжатомної відстані, в лінійних довжина на декілька

порядків більша ширини, у поверхневих мала товщина, а ширина і довжина більша її на декілька порядків.

Точкові дефекти

Ці дефекти мають малі значення у всіх трьох вимірах і їх розміри не перевищують декілька атомних діаметрів. Їх дія не поширюється на великі відстані (носять місцевий характер). До найпростіших точкових дефектів відносять:

· Вакансії

· Міжвузлові атоми

· Атоми-домішки

Вакансії («дірки» Шотта) – вузли решітки, в яких атоми відсутні.Вони

з’являються:

1. В результаті переходу атома із вузлів решітки на поверхню ( пустоти, де створюються тріщини).

2. Коли проходить повне випарювання із поверхні кристала.

3. В результаті переходу атома в міжвузловий простір.

В кристалі завжди містяться атоми, кінетична енергія яких значно вища середньої, що властиво даній температурі нагріву. Такі атоми, особливо ті, що розміщені близько поверхні, можуть вийти на поверхню кристала, а їх місце займуть атоми, що знаходяться далі від поверхні, а належавші їм вузли стануть вільними, тобто атом випарувався і залишилось вільне місце, при цьому з’являються теплові вакансії – ефект Шоткі.

З підвищенням температури створюються не лише поодинокі, а й подвійні і потрійні вакансії. Вакансії також створююься в результаті пластичних деформацій, при бомбардуванні металу атомами, часточками високих енергій.

Міжвузлові атоми( дефекти Френкеля) - утворюються в результаті переходу атома із вузла решітки в міжвузловий простір. На місці атома, що вийшов із вузла решітки в міжвузловий простір, утворюється вакансія. Якщо є вакансія у вигляді дефекту Шотки, то атоми, що знаходяться поруч, стягуються. Якщо відбувається перехід в міжвузвовий простір (дефект Френкеля), то атоми розтягуються.

Атоми – домішки впровадження та заміщення.

Атоми – домішки розміщуються або у вузлах решітки, або між вузлами і утворюють відповідно тверді розчини заміщення, або тверді розчини впровадження. На утворення вакансій необхідна енергія в 1-2 еВ, для утворення міжвузлового простіру – 5-6еВ.

Атом заміщення Атом впровадження

Точкові дефекти впивають на наступні властивості металів:

• Магнітні.
• Електропровідність.
• Дифузні властивості металу.

Лінійні дефекти

Мають малі розміри в двох напрямках і велику протяжність у третьому, називають дислокаціями.

Встановлено- всі лінійні дефекти впливають на властивості кристалів. Розрізняють 2 типи дислокацій:

• Крайові
• Винтові

Дислокації обох типів утворюють здвиги окремих ділянок кристала, що призводить до порушеня ідеальності кристалічної решітки.

Крайові дислокації являють собою локалізоване викривлення кристалічної решітки, викликане наявністю в ній зайвої атомної напівплощини або екстраплощини. Крайові дислокації можливо можуть бути представлені і як зайва напівплощина, вставлена в кристал. Зайва напівплощина може знаходитись як нижче, так і вище площини зсуву.

Нижче: ┴ додатня.

Вище: ┬ від’ємна.

Для більш точної характеристики дислокацій було введено вектор Бюргерса – вектор, що показує напрям зсуву і його величину. Для крайової дислокації вектор Бюргерса показує напрям зсуву, і він неперпендикулярний лінії дислокації. Величина вектора Бюргерса дорівнює міжатомній відстані в напрямку зсуву.

Для винтової дислокації напрямок руху та вектора Бюргерса співпадають. Зайвої напівплощини немає і при введенні винтової дислокації в кристалі його решітка видозмінена так, що система дискретних площин перетворюється в гелікоїдальну поверхню.

Лекція №4

Дислокації можуть утворюватись не лише при деформаціях, але й при кристалізації. У процесі відбувається зростання часточок зерен і тому на поверхні кристала утворюються східці. А також при наявності домішок, коли утворюються сплави.

Дислокації можна виявити за допомогою металографічного шліфа і визначення густини дислокацій. Густина дислокацій – відношення суми довжин дислокацій, виміряних в см., до об’єму кристала

n=∑ (L/V)

[n]_ci = см^-2

Густину дислокацій також визначають безпосередньо вивчаючи структуру тонких плівок металу на просвіт. Так як дислокації утворюються і при кристалізації, густина їх більша, ніж при деформаціях, тому вони значно впливають на властивості металів.

т.1 – ідеальний кристал без дефектів

зона 1-2 – зона майже ідеальних кристалів

зона 3 – відпалені метали

4 і вище – метали, зміцнені холодною деформацією, а також термічною, термомеханічною обробкою.

Завдяки рухомості дислокацій експериментально визначили границю текучості металів. Виявилось, що вона в 1000 разів менша, ніж експериментальне її значення. При значному збільшенні густини дислокацій і зменшенні їх рухомості, міцність збільшується в декілька різав,порівняно з відпаленим станом.

В напівпровідниках дислокації впливають на електричні властивості:

• Зменшення електричного опору
• Час життєносія

Значення дислокацій особливо зростає в мікроелектроніці, де застосовуються тонкі плівкові кристали Германію, оксиди Стануму.

Поверхневі дефекти – малі тільки в одному вимірі. Вони являють собою поверхні розділу між окремими зернами або їх блоками полікристалічного матеріалу( матеріалу, що складається з великої кількості дрібних кристалів, кристалографічні площини яких в кожному кристалі орієнтовані по-різному).

Мірою неідеальності є поверхнева енергія.

Границя зерен – перехідна область шириною до 10 міжатомних відстаней, в яких решітка одного переходить в решітку іншого кристала. Границі субзерен бувають більш кутовими (вище 5) і малокутовими ( до 5).

Дефекти упакування являють собою частину атомної площини, в межах якої порушений нормальний порядок чергування атомних шарів.

Границі зерен впливають на механічні характеристики: заважають рухатись дислокаціям.

Границя текучості пов’язана з розміром зерна – чим він меньший, тим границя текучості вища, тим більша вязкість і меньша загроза крихкого відриву.

Границі зерен та субзерен, володіючи підвищеною енергією, служать місцями зародження нових фаз. При фазових перетвореннях всі неідеальності можуть взаємодіяти між собою, взаємознищуються ( коли неідеальності мають різний напрямок), утворювати комплекси ( дві вакансії об’єднуються у стійкий комплекс(дивакансія)).

Об’ємні дефекти(трьохвимірні) – пори, тріщини. Мають значну, порівняно з атомами, протяжність у всіх трьох напрямках кристала. Утворюються при кристалізації, корозії, деформації, фазових перетвореннях.