§I.3.8 дефекты в кристаллах

В предыдущем параграфе речь в основном шла об идеальных кристаллических структурах, но они существуют лишь в очень малых объёмах реальных кристаллов, в которых всегда имеются отклонения от упорядоченного расположения частиц в узлах решётки, называемые дефектами кристаллической решётки. Дефекты делятся на макроскопические, возникающие в процессе образования и роста кристаллов (трещины, поры, инородные макроскопические включения), и микроскопические, обусловленные микроскопическими отклонениями от периодичности.

Микродефекты делятся на точечные и линейные. Точечные дефекты бывают трёх типов: вакансия (отсутствие атома в узле кристаллической решётки); междоузельный атом (атом, внедрившийся в междоузельное пространство); примесный атом - атом примеси, или замещающий атом основного вещества в кристаллической решётке (примесь замещения), или внедрившийся в междоузельное пространство (примесь внедрения, только в междоузлии вместо атома основного вещества располагается атом примеси). Точечные дефекты нарушают лишь ближний порядок в кристаллах, не затрагивая дальнего порядка, - в этом состоит их характерная особенность.

Дислокация представляет собой более сложный дефект структуры, чем любой из точечных дефектов. Искажение кристаллической структуры вызвано тем, что в часть объёма кристалла введена лишняя атомная плоскость. Искажение сосредоточено в основном вблизи нижнего края «полуплоскости» лишних атомов. Поэтому под дислокацией и понимается линия искажения, которая проходит вдоль края лишней атомной плоскости. Дислокация представляет собой «линейный» дефект. Линейные дефекты нарушают дальний порядок.

Важнейшая характерная особенность всех дислокаций состоит в том, что сильные искажения сосредоточены в непосредственной близости от дислокационной линии. Эта область называется ядром дислокации. В стороне от ядра деформации настолько малы, что к ним можно применять теорию малых деформаций, т.е. теорию упругости. Поэтому область вдали от ядра дислокации называется упругой областью.

Возможны два предельных вида дислокаций - краевая и винтовая. Любая конкретная дислокация обычно представляет собой сочетание этих двух видов. Если одна из атомных плоскостей обрывается внутри кристалла, то край этой плоскости образует краевую дислокацию. Важнейшие особенности нарушения порядка в расположении атомов вокруг краевой дислокации – искажения возле края лишней полуплоскости. Они вызваны тем, что ближайшие атомы как бы пытаются согласовать своё расположение с резким обрывом лишней плоскости. Поэтому атомы, расположенные непосредственно над краем лишней полуплоскости, испытывают действие сжимающих напряжений: два атомных ряда, слева и справа от лишней плоскости прижаты друг к другу. Однако непосредственно под лишней полуплоскостью расстояние между аналогичными двумя атомными рядами больше, чем в искаженных участках кристалла. Соответственно в этом месте структура растянута. Это локальное расширение называется дилатацией. Кроме простого растяжения и сжатия решётки, в непосредственной близости от дислокации структура испытывает также сдвиговые напряжения. Однако искажения, вызванные сдвигом, гораздо сложнее, чем дилатация.

В случае винтовой дислокации ни одна из атомных плоскостей внутри кристалла не обрывается, а сами плоскости лишь приблизительно параллельны и смыкаются друг с другом так, что фактически кристалл состоит из одной атомной плоскости, изогнутой по винтовой поверхности (она начинается у одного края кристалла и кончается у другого). Направление винта может быть как право-, так и левосторонним, а шаг винта может составлять от одного до нескольких межатомных расстояний на один полный оборот винта. У описанной выше простой дислокации шаг равен одному межатомному расстоянию на один полный оборот.

Как и в случае краевой дислокации, степень искажений зависит от расстояния до центра дислокации. Области, достаточно удалённые от винтовой дислокации, испытывают очень малые локальные искажения. Напротив, области вблизи центра сильно искажены, и здесь возникают локальные нарушения симметрии кристалла.

В противоположность искажениям вокруг краевой дислокации вблизи центра винтовой дислокации возникают не дилатации, а скручивание или сдвиг решётки. Атомы, находящиеся на винтовой поверхности, смещены со своих исходных мест в совершенном кристалле.

Плотность дислокаций - число дислокаций, приходящихся на единицу площади поверхности кристалла. Дислокации никогда не обрываются, они либо выходят на поверхность, либо разветвляются, поэтому в реальном кристалле образуются плоские или пространственные сетки дислокаций.