1.9.2. Лінійні дефекти

До одновимірних або лінійних дефектів відносяться крайові та гвинтові дислокації. Дислокацією називають дефект кристалічної ґратки, пов’язаний з існуванням у кристалі деякої лінії з наступними властивостями:

• на далеких відстанях від цієї лінії кристал локально практично не відрізняється від ідеального;

• поблизу цієї лінії атоми помітно зміщені відносно вузлів ґратки ідеального кристала;

• в області розташування цієї лінії існує ненульовий вектор Бюргерса.

Вектор Бюргерса визначають наступним чином. Здійснимо з довільного вузла ґратки А переміщення вздовж одного з векторів основних трансляцій (наприклад ) на деяку кількість (наприклад n) його довжин, потім – вздовж іншого (наприклад ) на деяку кількість (наприклад m) його довжин. Продовжуючи здійснювати послідовні переміщення -n та -m , у ідеальному кристалі знову попадемо у вузол А, описавши замкнений контур (контур Бюргерса) ABCDA. У випадку кристала з дислокацією аналогічна побудова може дати розімкнений контур ABCDЕ (Точка Е інша, аніж А). Вектор , необхідний для замикання контуру Бюргера, і називається вектором Бюргерса.

Рис. 1.18. Зображення крайової дислокації та контуру Бюргерса УВАГА! Зменшити зберігаючи символи векторів

Крайові дислокації. Якщо впорядковане розташування атомів порушується так, що всередині кристалу існує обірвана атомна площина М (її називають екстраплощиною), то її край (вісь дислокації) – пряма, що проходить через точку О (рис. 1.18), утворює лінійний дефект кристалічної ґратки, який називається крайовою дислокацією. Очевидно, що вектор Бюргерса крайової дислокації (замикає контур ABCDE на рис. 1.18) перпендикулярний до її осі.

Рис. 1.19. Гвинтова дислокація УВАГА! Зменшити зберігаючи символи векторів

Гвинтові дислокації. Утворення дефекту цього типу можна уявити як наслідок зсуву однієї частини кристалу відносно іншої його частини вздовж деякої атомної площини Р (рис. 1.19) таким чином, що на великих відстанях від лінії ОО^′ (вісь дислокації) зсув здійснений на одну або декілька довжин вектора основних трансляцій. істотне порушення впорядкованості у розташуванні атомів спостерігається тільки поблизу самої лінії. Вектор Бюргерса гвинтової дислокації паралельний до вісі дислокації.

Оскільки в області дислокації кристалічна ґратка спотворена, то у ній під дією пружних сил виникають напруження σ_дисл і запасається пружна енергія деформованої ґратки Е_дисл. Зокрема, для крайової дислокації їх можна оцінити величинами

, (1.19)

, (1.20)

де G – модуль зсуву, b – довжина вектора Бюргерса, r – відстань від осі дислокації до розглядуваної точки, а L – довжина дислокації. Приймаючи G = 2∙10¹⁰ Па, b = 3∙10^-10 м, одержимо Е_дисл = 4 еВ на кожний відрізок дислокації, рівний міжатомній відстані. Пружні напруги на відстані r = 100 нм (близько 300 атомних відстаней) від вісі дислокації становлять величину σ_дисл 10⁷ Па.

Наявність силового поля навколо дислокації приводить до взаємодії їх між собою, з домішковими атомами та іншими точковими дефектами. Зокрема, до стиснутих областей ґратки поблизу дислокації, дифундують домішкові атоми з малим радіусом, до розтягнутих – з великим. В результаті цього дислокації часто виявляються оточеними множиною хаотично розміщених домішкових атомів різного роду (їх називають хмаринками Котрелла); дислокації також є місцем стоку вакансій.

Виникають дислокації у процесі росту кристалів, із скупчень вакансій, а також при механічній обробці кристалів внаслідок пластичних деформацій. Їх наявність відіграє значну роль у формуванні властивостей кристалу, зокрема, його твердості та міцності. Великі значення напруженостей та енергій пружних деформацій ґратки в області дислокації свідчать про те, що їх переміщення у кристалі вкрай утруднено, оскільки вимагає великих витрат енергії, а це приводить до зниження здатності кристалу до деформацій.