Тема 3.5. Комплексы точечных дефектов

Точечные дефекты одного или разных видов могут объединяться в пары или более крупные комплексы.

При столкновениях одиночных вакансий они объединяются в пары - дивакансии, что уменьшает их суммарную поверхность, и обусловленный этим выигрыш в поверхностной энергии обеспечивает устойчивость дивакансий.

Энергия миграции дивакансий примерно вдвое меньше энергии миграции моновакансий, поскольку для перехода одного из атомов в дивакансию нет потенциального барьера; поэтому дивакансии более подвижны, чем моновакансии.

Однако в условиях теплового равновесия большинство вакансий является моновакансиями и даже вблизи точки плавления моновакансий в кристаллах более 90%.

Когда дивакансии, встречаясь с моновакансиями, образуют тетраэдрический комплекс, они перестают быть подвижными. Эти комплексы могут служить центрами крупных скоплений вакансий, т.е. субмикроскопических пор.

Вакансии и межузельные атомы могут образовывать устойчивые комплексы с атомами растворенных элементов - легирующих или примесных.

Комплекс вакансия-примесный атом значительно более подвижен, чем атом того же элемента без вакансии. Такой комплекс может мигрировать сколь угодно далеко только за счет перемещения ближайших соседей, обменивающихся местами с его вакансией.

Межузельный атом может способствовать созданию уплотненной цепочки атомов – краудиона, в котором цепочка из (n + 1) атомов размещается на отрезке, где в нормальном положении должно находиться только n атомов.

Вопросы для самопроверки

1. Что лежит в основе классификации дефектов кристаллического строения?

2. Какие точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты могут существовать в реальных кристаллах?

3. Что представляют собой одиночные точечные дефекты и какие по­зиции в кристаллической решетке они могут занимать?

4. Каковы характер и степень искаженности кристаллической решет­ки вокруг вакансий и межузельных атомов?

5. Какую энергию называют энергией образования вакансий и меж­узельных атомов? От чего и как зависит равновесная концентрация этих дефектов?

6. Что понимают под энергией миграции точечных дефектов? Каковы основные механизмы их миграции?

7. Какие комплексы и почему могут образовывать точечные дефекты?

8. Как могут возникать и исчезать точечные дефекты? Какие участки кристаллической решетки играют роль источников и стоков точечных де­фектов?

Раздел 4. Дислокации, их движение и упругие свойства

Тема 4.1. Теоретическая и реальная прочность

Кристаллов

В додислокационных теориях пластическая деформация кристаллов представлялась как одновременное смещение всех атомов одного слоя относительно атомов соседнего слоя. Такая модель предполагает одновременный разрыв всех связей между атомами соседних слоев, что при расчете дает значение критического касательного напряжения _кр  G30, где G – модуль сдвига. Так как G имеет величину порядка 10³ – 10⁴ кгмм², то значение _кр  10² – 10³ кгмм², т.е. на 3 – 4 порядка выше экспериментальных значений этой величины.

Для преодоления этого противоречия предположили, что в каждый момент времени в смещении участвует только малая часть атомов в плоскости сдвига и разрываются только соседние межатомные связи (рис. 4.1). Такой дефект получил название краевой дислокации.

Рис. 4.1. Схема сдвига путем скольжения в кристалле краевой дислокации

Минимальную прочность имеют чистые, отожженные металлы при плотности дислокаций около 10⁷-10⁸ см^-2. Монокристаллические металлические усы - нитевидные кристаллы толщиной 0,5-2 мкм и длиной до 10 мм с практически бездефектной (бездислокационной) кристаллической структурой приближаются по прочности к теоретической. Увеличение размеров усов приводит к появлению дислокаций и резкому снижению прочности. В поликристаллах с увеличением количества дислокаций (дефектов) прочность металлов возрастает. Основными причинами упрочнения являются увеличение количества (плотности) дислокаций, искажения кристаллической решетки, возникновение напряжений, измельчение зерен металла и т. д., т. е. все то, что затрудняет свободное перемещение дислокаций. Это используют при таких способах упрочнения, как легирование, термическая обработка, холодная пластическая деформация и т. д. Предельная плотность дислокаций для упрочнения составляет примерно 10¹² см^-2. При большей плотности в металле образуются субмикроскопические трещины, вызывающие разрушение.