Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
§ 135. Дефекты в кристаллах
1. В реальных кристаллических решетках существуют отклонения от того идеального расположения атомов в решетке, которое мы до сих пор рассматривали. Все такие отклонения называются дефектами кристаллической решетки. Их можно подразделить на макроскопические и микроскопические. К макроскопическим дефектам относятся поры, трещины, инородные макроскопические
536
СИММЕТРИЯ и СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ
[ГЛ. XII
включения и пр. Наиболее простыми микроскопическими дефектами являются точечные дефекты. К ним относятся: 1) отсутствие атома в каком-либо узле решетки (вакансия, рис. 176, а), 2) замена «своего атома» решетки каким-либо другим «чужим» атомом (рис. 176, б), 3) внедрение своего или чужого атома в межузельное пространство (межузельный атом, рис. 176, в). Точечные дефекты — вакансии и межузельные атомы — могут возникнуть в результате тепловых флуктуаций. Такие дефекты называются термодинамически равновесными. Очевидно, они столь же неизбежны, как и броуновское движение или любые флуктуации. При нагревании кристалла концентрация вакансий и межузельных атомов возрастает экспоненциально.
Энергия точечных дефектов много больше энергии тепловых колебаний решетки. Например, для меди энергия вакансии Ев
Рис. 176.
яй 1 эв, энергия межузельного атома Еу яа 3 эв, в то время как энергия тепловых колебаний kT даже вблизи температуры плавления (1084,5 °С) составляет всего 0,12 эв. Поэтому равновесная концентрация точечных дефектов, как правило, невелика. Так, для меди вблизи температуры плавления равновесные концентрации вакансий и межузельных атомов, если их оценить по формуле Больцмана, будут соответственно
св ^ ехр (- Щ ~ 1 ол Су ^ ехр (- |7У) ^ 1 о-11.
Однако в кристаллах в результате закалки, облучения нейтронами и пр. концентрация точечных дефектов часто бывает много выше равновесной. Такой «пересыщенный раствор» вакансий и межузельных атомов может распасться с образованием дислокаций.
2. Дислокации — это специфические линейные дефекты кристаллической решетки, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей. В отличие от точечных дефектов, нарушающих ближний порядок, дислокации нарушают дальний порядок в кристалле, искажая всю его структуру. Поэтому именно дислокации
§ 135]
ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ
537
играют наиболее важную роль в механических свойствах твердых тел.
Различают два главных типа дислокаций: краевую и винпювую. Схема краевой дислокации показана на рис. 177. Дислокация характеризуется лишней кристаллической плоскостью, вдвинутой между двумя соседними слоями атомов. Линией дислокации в данном случае является прямая, перпендикулярная к плоскости рисунка и отмеченная на нем знаком J_. «Лишний» слой атомов расположен над этим знаком. Краевая дислокация, образовавшаяся в результате неправильного наращивания кристаллической решетки, может существовать на протяжении десятков и сотен межатомных расстояний.
Винтовую дислокацию можно наглядно представить себе, произведя «разрез» решетки но полуплоскости и сдвинув части решетки по обе стороны разреза навстречу друг другу на один период параллельно краю разреза. Этот край называется линией винтовой дислокации и изображен на рис. 178 пунктиром. Наличие винтовой дислокации превращает кристаллические плоскости решетки в геликоидальную поверхность (подобную винтовой линии без ступенек).
Для определения вида дислокации пользуются методом Бюргерса. Назовем контуром Бюргерса контур, составленный из основных векторов трансляции решетки так, чтобы он замыкался в идеальном кристалле. В дефектном кристалле при обходе вокруг линии дислокации контур Бюргерса окажется разомкнутым. Вектор, соединяющий его конечную точку с начальной, называется вектором Бюргерса. На рис. 178 в качестве примера показано, как строится вектор Бюргерса EF для винтовой дислокации. В случае краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен, а в случае винтовой — параллелен линии дислокации.
Дислокации и их движение можно наблюдать с помощью электронного микроскопа. Другой метод основан на травлении кристалла специальными реагентами. В местах выхода дислокаций на поверхность кристалла разрушение его происходит более интенсивно. Благодаря этому возникают ямки травления, делающие дислокации видимыми.
538
СИММЕТРИЯ И СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ
[гл. XII
Для характеристики числа дислокаций в теле вводят их плотность. Плотностью дислокаций называется число дислокационных линий, пересекающих единичную площадку, мысленно проведенную в теле. Это число меняется примерно от 102 — 103 в наиболее совершенных чистых монокристаллах до 1011 — 1012 см-2 в сильно деформированных (холоднообрабо-танных) металлах.
3. Дефекты в кристаллах оказывают сильное влияние на их физические свойства (механические, магнитные, электрические и пр.). Рассмотрим, например, деформацию кристалла под действием касательных напряжений. Будем предполагать сначала, что кристалл — идеальный, т. е. не содержит никаких дефектов. Пусть приложенное касательное напряжение х параллельно одной из кристаллических плоскостей решетки (рис. 179). Под действием такого напряжения слой CD решетки сместится относительно слоя АВ на расстояние х. Потенциальная энергия решетки
