Defekty układu atomów w strukturze krystalicznej (defekty strukturalne) (defekty strukturalne)

Defekty punktowe

Defekty punktowe są najprostszymi defektami strukturalnymi. Luka, czyli wakans, jest to brak atomu w węźle sieci. Z równowagi termodynamicznej wynika, że w danej temperaturze, niższej od temperatury topnienia, istnieje zawsze określona liczba wakansów. Defekty te wynikają z drgań sieci, zależnych od temperatury. Proste obliczenia prowadzą do wzoru na ilość luk w krysztale:

n = N·exp(-E/R·T) (2.7)

gdzie n - liczba wakansów,

N - liczba atomów w krysztale,

E - energia potrzebna do utworzenia luki, R - stała gazowa,

T - temperatura bezwzględna.

38

Mechanizm powstawania luk przedsta-wiony jest na rys. 2.18. W rzeczywistości występuje pewna większa koncentracja wakansów, niż wynikająca z równowagi termodynamicznej. Nawet w temperaturze T = 0 K istnieje zawsze pewna koncentra-cja wakansów. Dzięki drganiom cieplnym (fononom) luki mogą przemieszczać się w kryształach. Są one również odpowiedzia-lne za mechanizm dyfuzji. Przy obniżeniu temperatury luki zmniejszają swoją ruch-liwość, a w temperaturach niskich prak-tycznie stają się nieruchome. W modelu Frenkla, w wyniku wzbudzenia atomu węzłowego w położenie międzywęzłowe, powstaje wakans oraz atom międzywęz-łowy. Defekty te mogą powstawać tylko w luźnych strukturach metali alkalicznych.

W zwarcie wypełnionych strukturach powstawanie tego defektu jest niemożliwe.

Atomy międzywęzłowe i luki nie są jedynymi rodzajami defektów punktowych.

Należą do nich również obce atomy, które mogą zajmować położenie węzłowe lub znajdować się w międzywęźle sieci kry-stalicznej. Czasami, przy większych gęstościach atomów domieszkowych, mogą one koncentrować się w małe skupiska, a nawet wywoływać przejścia fazowe.

Typowe defekty punktowe przedstawiono na rys. 2.19.

Defekty liniowe

Zalicza się do nich dyslokacje liniowe, śrubowe oraz mieszane. Te ostatnie można uważać za kombinacje dwóch poprzednich typów. Dyslokacja krawę-dziowa jest zaburzeniem sieciowym struktury kryształu powstającym wskutek utworzenia się dodatkowej półpłaszczyzny, zwanej inaczej ekstrapłaszczyzną (rys. 2.20). Miarą tego zaburzenia jest wektor Burgersa, który można określić na podstawie konturu Franka-Burgersa (rys. 2.20). Kierunek wektora Burgersa b jest prostopadły do linii dyslokacji krawędziowej i posiada umownie ustalony zwrot (rys. 2.20b).

Dyslokacja śrubowa jest zaburzeniem struktury kryształu polegającym na tym, że pewien ciąg równoległych płaszczyzn sieciowych przekształca się w układ powierzchni o charakterze śrubowym (rys. 2.21). W tym wypadku

Rys. 2.19. Podstawowe defekty punk-towe: 1 - wakans, 2 - obcy atom w pozycji międzywęzłowej, 3 — defekt Frenkla, 4 - obcy atom w węźle Rys. 2.18. Defekty sieci powstające w wyniku drgań cieplnych: 1 — defekt Frenkla, 2 - defekt Schottky'ego;

→ wektor przemieszczenia atomów sieci

Rys. 2.20. Dyslokacja krawędziowa: a) schemat dyslokacji krawędziowej, b) układ powierzchni sieciowych z zaznaczonym konturem Franka-Burgersa i wektorem Burgersa , c) dodatnia ( )

i ujemna (T) dyslokacja krawędziowa; PQ - krawędź dyslokacji

Rys. 2.21. Dyslokacja śrubowa: a) schemat dyslokacji śrubowej, b) układ powierzchni sieciowych z zaznaczeniem konturu Franka-Burgersa i wektorem Burgersa b, c) wiskers z pojedynczą

dyslokacją śrubową

jednak wektor Burgersa ma kierunek równoległy do krawędzi dyslokacji. Daną dyslokację śrubową określa się jako dodatnią, gdy kontur Franka-Burgersa wykazuje układ prawoskrętny (+), lub ujemną, gdy wykazuje układ lewo-skrętny (—). Z reguły występują dyslokacje mieszane, których wektor Burgersa b jest sumą wektorów dyslokacji krawędziowej i śrubowej . Tak zsumowawny wektor Burgersa jest zwykle równy wektorowi sieciowemu lub jego całkowitej wielokrotności. Istnieją jednak dyslokacje, których wektory Burgersa są częścią wektora sieciowego. Noszą one nazwę dyslokacji częściowych.

Obecność dyslokacji w kryształach jest spowodowana ich powstawaniem już w procesie krystalizacji. Są różne poglądy na temat mechanizmu

pow-40

stawania dyslokacji w procesie tworzenia się kryształu. Można przypuszczać, że dyslokacje są między innymi wynikiem wytrącania się wakansów w sieci w czasie stygnięcia kryształu. Wzrost dyslokacji śrubowych stwierdzono doświadczalnie podczas krystalizacji monokryształów tzw. wiskersów, które posiadają tylko jedną dyslokację śrubową (rys. 2.21c).

W procesie obróbki plastycznej metali stwierdza się wzrost ilości dys-lokacji w strukturze. Mechanizm generowania nowych dysdys-lokacji wyjaśnia model Franka-Reada (rys. 2.22). W pobliżu dyslokacji kryształ jest silnie odkształcony. Na skutek stosunkowo niewielkiego naprężenia w krysztale odkształcenie to może przemieszczać się w płaszczyźnie poślizgu. Ilustruje to rys. 2.23.

Rys. 2.22. Źródło Franka-Reada: a), b), c), d) kolejne stadia generowania dyslokacji; A, B — punkty zakotwiczenia dyslokacji: kierunek propagacji linii dyslokacji, wywołanej naprężeniami

w krysztale

Rys. 2.23. Wędrówka dyslokacji: a), b, c) kolejne stadia przemieszczania dyslokacji

Gęstość dyslokacji określa się jako liczbę linii dyslokacji, które przecinają jednostkową powierzchnię kryształu. W metalach osiąga ona bardzo różne

wartości, od 1 dyslokacji śrubowej w wiskersach, poprzez 106 dyslokacji/cm3

w monokryształach rzeczywistych, do 1013 dyslokacji/cm3 w silnie zdefor-mowanych kryształach. Rzeczywista konfiguracja dyslokacji w kryształach otrzymanych z wytopu lub przez wygrzanie i powolne chłodzenie, odpowiada albo grupie niskokątowych granic zrostu, albo trójwymiarowej sieci dyslokacji ułożonych w komórki.

Defekty dwuwymiarowe i przestrzenne

Granice mozaiki i niskokątowe granice ziaren są to obszary styku dwu sieci krystalicznych skręconych względem siebie o kąt nie większy niż 30°.

Dawniej zakładano, że granice takie są materią w stanie bezpostaciowym.

W świetle najnowszych badań doświadczalnych okazało się, że bardziej słuszny jest model dyslokacyjny. Przedstawiony on jest na rys. 2.24, jako zespół

dyslokacji krawędziowych jednakowego znaku, złożonych jedna nad drugą.

Wysokokątowe granice ziaren są obszarami o grubości kilku odległości międzyatomowych. Atomy w obrębie obszaru granicznego stanowią materię o budowie bezpostaciowej. Modele granicy wysokokątowej przedstawiono na rys. 2.24b.

Szereg defektów trójwymiarowych, takich jak strefy Brinkmana, czy strefy rozrzedzone, powstaje w wyniku oddziaływania na sieć krystaliczną promie-niowania neutronowego czy protonowego. Znaczenie tego typu defektów wzrasta w ostatnich dziesięcioleciach w związku z rozwojem techniki jądrowej.

Rys. 2.24. Model granicy ziarn: a) niskokątowa granica, b) wysokokątowa granica; D - odległość między dyslokacjami, L - szerokość warstwy bezpostaciowej, Q - kąt różnicy orientacji

krystalograficznej