Дефекты в кристаллах: классификация дефектов, движение, взаимодействие и источники дислокаций, дефекты упаковки

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СТАРООСКОЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ФЕДЕРАЛЬНОГО  ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

«МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ»

 
 
 
 
 
 

Реферат

по дисциплине: «Основы обработки металла давлением»

на тему:

«Дефекты в кристаллах: классификация дефектов, движение, взаимодействие и источники дислокаций, дефекты упаковки»

 
 

Выполнил:

ст. гр. ОМД-06-1д

Махотин М.В.

 

Проверил:

Доронин О.Н.

 
 
 
 

Старый  Оскол

2009

 

 

Содержание

 

Классификация дефектов 3

Точечные дежекты - вакансии и междоузельные атомы 4

Линейные дефекты - дислокации 8

Движение дислокаций 10

Источники дислокаций 12

Взаимодействие  дслокаций с точечными дефектами 13

Двумерные дефекты  в кристаллах - дефекты упаковки, малоугловые границы 15

 Литература………………………………………………………………………18

 

Классификация дефектов

  Реальные  кристаллы отличаются от рассмотренной  выше идеальной модели наличием достаточно большого числа нарушений регулярного расположения атомов. Оно может проявиться в отсутствии атома или замене атома на атом другого сорта в какой-либо позиции правильной системы точек пространственной группы, в наличии дополнительных атомов и т. д. В любом случае, если эти изменения нерегулярны, то разные элементарные ячейки становятся трансляционно-неэквивалентными. Поэтому мы можем считать дефектом любое отклонение от трансляционной симметрии кристалла.

  Дефекты структуры оказывают существенное, порой определяющее, влияние на свойства твердых тел. Такими структур-ночувствительными, т. е. зависящими от дефектов структуры, свойствами являются электропроводность, фотопроводимость, люминесценция, пластичность, прозрачность и окраска кристаллов и т. д.

  В настоящее время основные сведения о дефектах необходимы не только физикам, но также конструкторам и создателям приборов на основе твердых тел, специалистам по выращиванию совершенных монокристаллов и многим другим специалистам.

  Классификация дефектов обычно осуществляется по чисто  геометрическим признакам, а именно по числу пространственных измерений, в которых нарушения структуры кристалла простираются на расстояния, значительно превышающие параметры элементарной ячейки. Выделяют четыре класса дефектов.

  Точечные (нульмерные) дефекты. Само название их свидетельствует о том, что нарушения структуры локализованы в отдельных точках кристаллического пространства. Размеры указанных дефектов во всех трех измерениях не превышают нескольких межатомных расстояний. К точечным дефектам относятся вакансии, атомы в междоузлиях, примеси, а также сочетания примесь-вакансия, примесь-примесь, двойные и тройные вакансии (ди- и тривакансии) и др.

  Точечные  дефекты могут появиться в  твердых телах вследствие нагрева (тепловые дефекты), облучения быстрыми частицами (радиационные дефекты), отклонения состава данного соединения от стехиометрического (стехиометрические дефекты) и пластической деформации.

  Линейные (одномерные) дефекты, характеризуются тем, что нарушения трансляционной симметрии в одном направлении простираются на расстояния, много большие параметров элементарной ячейки, тогда как в других измерениях они не превышают нескольких значений параметра. К линейным дефектам относятся дислокации, а также цепочки точечных дефектов.

  Дислокации  возникают, как правило, в результате пластической деформации кристалла в процессе роста или при последующих обработках.

  Плоские или поверхностные (двухмерные) дефекты в двух измерениях имеют размеры, во много раз превышающие параметры элементарной ячейки, а в третьем измерении составляют несколько параметров. Границы зерен и кристаллов-двойников, межфазные границы, доменные стенки, а также поверхности (грани) кристалла представляют собой двухмерные дефекты.

  Двухмерные  дефекты также могут быть следствием наличия примесей в расплаве или  растворе, из которого растет кристалл. Хорошо известны зональные и секториальные границы в кристаллах, выращенных из растворов, которые также являются двухмерными дефектами.

    Объемные (трехмерные) дефекты — это микропустоты, трещины, включения другой фазы. Они возникают обычно при выращивании кристалла или в результате некоторых внешних воздействий на кристалл. Так, например, наличие большого количества примеси в расплаве, из которого ведется кристаллизация, может привести к образованию в кристалле достаточно крупных частиц второй фазы.

 

Точечные  дефекты — вакансии и междоузельные  атомы

  Механизм  возникновения термодинамически равновесных точечных дефектов впервые был предложен Я.И.Френкелем. Он является очень простым и наглядным.

В физике хорошо известно явление сублимации — испарение твердых тел. Над  поверхностью кристалла, так же как  и над поверхностью жидкости, всегда существует «пар», состоящий из атомов данного вещества. Это происходит потому, что атомы, образующие поверхностный слой кристалла, могут вследствие нагрева приобретать кинетическую энергию, достаточную для отрыва от поверхности и перехода в окружающее пространство. Я.И. Френкель предположил, что такой отрыв может иметь место не только для поверхностных атомов, но и для атомов внутри кристалла. Действительно, согласно основным принципам статистической физики, даже в том случае, если средняя кинетическая энергия атомов очень мала, в кристалле всегда найдется некоторое количество атомов, кинетическая энергия которых может быть очень большой. При этом в соответствии с вероятностным характером данного явления, любой атом кристалла в тот или иной момент времени может приобрести энергию, значительно большую, чем средняя кинетическая энергия атомов кристалла. Такой атом может выйти из своего равновесного положения в кристаллическом пространстве. Перемещаясь по кристаллическому пространству и отдавая энергию другим атомам, он может занять новое равновесное положение. Будем считать, что первоначально атом находился в узле кристаллической решетки (за узел можно принять любую точку кристаллического пространства). Тогда, если все ближайшие узлы решетки заняты, то атом может разместиться лишь в трансляционно-неэквивалентной первоначальному положению точке, или, как обычно говорят, в междоузлии. Оказавшаяся незанятой атомом точка кристаллического пространства называется вакансией. Точечные дефекты в виде совокупности атомов в междоузлиях и вакансий называют дефектами по Френкелю (рис. 6.1). Парные дефекты Френкеля легче возникают в кристаллах, содержащих большие межатомные промежутки, чем в плотно-упакованных. В последних для междоузельных атомов, попросту говоря, нет места.

 

Для таких  кристаллов можно опре делить места, где в кристаллическом пространстве может находиться атом в междоузлии. Такими местами могут быть незанятые октаэдрические и тетраэдрические пустоты в плотнейших упаковках.

  В элементарной ячейке гранецентрированной кубической структуры (трехслойной упаковки) имеется 4 октаэдрические пустоты и 8 тетраэдрических (рис. 2). Наибольшего размера шар, который можно поместить в октаэдрическую пустоту, не искажая взаимного расположения окружающих шаров, имеет радиус R₀ ≈0,414R, а для тетраэдрической R_T ≈ 0,225R, где R — радиус шара. В неплотноупакованной объемноцентрированной структуре с симметритей Im3m имеются тетраэдрические пустоты, которые располагаются в точках 12-кратной правильной системы точек:

  Другие, меньшие по размерам пустоты в  ОЦК-структуре имеют размер около 0,15R и располагаются по правильной системе точек:

В структуре  алмаза междоузлия совпадают с положением октаэдрических пустот и половины тетраэдрических пустот (рис. 3).

 

В гексагональных плотноупакованных структурах (двухслойных плотнейших упаковках) присутствуют такие же междоузлия, как и в ГЦК-структурах, причем, как было показано в гл. 5, на элементарную ячейку приходится 2 октаэдрические пустоты и 4 тетраэдрические (рис. 4).

 

Парные дефекты  Френкеля, однако, маловероятны в кристаллах с плотноупакованной структурой. Это связано с тем, что размеры октаэдрических, а тем более тетраэдрических, пустот слишком малы для того, чтобы в них разместился атом основного вещества. Более вероятно размещение в междоузлиях таких структур атомов примеси с малыми радиусами, как бор, углерод, азот.

  Полупроводники  с ковалентным типом связи, кристаллизующиеся в структурном типе алмаза или сфалерита, не являются плотноупакованными структурами, хотя обычно и описываются в терминах плотнейших упаковок. Так, при полиэдрическом описании структуры алмаза мы считаем, что одни и те же атомы уложены по закону плотнейшей упаковки и заполняют половину тетраэдрических пустот. Это показывает условность такого описания ковалентных структур, с одной стороны, и относительную «рыхлость» полупроводниковых структур, с другой. В отличие от плотноупакованных структур в пустотах кристаллов полупроводников со структурой алмаза, вюрцита, сфалерита и близких к ним легко размещаются междоузельные атомы.

  По  возможности размещения междоузельных  атомов структуры с ионным характером связи занимают промежуточное положение  между плотноупакованными металлами  и полупроводниками с ковалентной  связью. При этом вероятность появления  междоузельных атомов в ионных соединениях сильно изменяется от одного вещества к другому.

  Кроме парных дефектов по Френкелю в кристаллах имеются и одиночные точечные дефекты — вакансии, впервые рассмотренные Шоттки.

Дефекты по Шоттки обычно встречаются в кристаллах с плотной упаковкой атомов, где образование междоузельных атомов затруднено и энергетически невыгодно. Процесс образования дефектов в таком кристалле может происходить следующим образом.

Некоторые атомы  из приповерхностного слоя в результате теплового движения могут оказаться в состоянии «частичной» диссоциации, т. е. они могут выйти из кристалла на поверхность (рис.5). Образовавшаяся вакансия мигрирует затем в объем кристалла.

 
 

Линейные  дефекты — дислокации

  Представление о линейных дефектах — дислокациях  возникло в начале XX века в результате работ В. Вольтерра и некоторых других исследователей, изучавших упругие свойства однородной изотропной среды.

Для выяснения  геометрической природы дислокаций рассмотрим резиновый цилиндр (рис. 6.). Разрежем его вдоль плоскости 5, сместим края разреза так, как показано на рис. 6.86, в, и склеим. Линия ОО', отделяющая область, где произошел сдвиг, от области, где сдвига не произошло, называется дислокацией.

  В начале 30-х годов Д. Тейлор и другие авторы предположили, что аналогичные  дефекты могут существовать и  в кристаллах. В отличие от изотропной упругой среды, где относительные  смещения краев разреза могут быть любыми, в кристаллах дискретность структуры и анизотропия накладывают ограничения на характер возможных смещений. В этом случае допускаются такие смещения, которые совместимы с кристаллической решеткой. На рис. 7 изображена дислокация 00', возникшая в результате сдвига части кристалла на одно межатомное расстояние, и показано

 

расположение  атомов в плоскости, перпендикулярной линии дислокации. Видно, что на п атомных плоскостей ниже плоскости скольжения приходится п + 1 плоскость выше плоскости скольжения. Дислокация 00', представляющая собой «край» лишней полуплоскости MNO'O, получила название краевой дислокации. Краевая дислокация перпендикулярна вектору сдвига. Можно представить себе, что краевая дислокация образуется, если вставить дополнительную плоскость MNO'O между проскостями идеального кристалла.