1.7 Типи кристалів та їх дефекти

У відповідності з п’ятьма видами сил зв’язку розрізняють п’ять типів кристалічних граток:

а) молекулярну гратку мають всі інертні елементи у твердій фазі. Між атомами виникають сили Ван-дер-Ваальса. При цьому формується кубічна гранецентрована гратка з координаційним числом (числом найближчих атомів) 12, рис.1.8,а;
б) іонні гратки являються основними серед неорганічних сполук. Тип кристалічної гратки залежить від розмірів іонів, але завжди формується структура з найбільш щільною упаковкою, причому іони одного знаку завжди оточені іонами протилежного заряду. Типовим представником іонного кристалу є хлористий натрій NaCl, рис.1.8,б;
в) атомні кристали, наприклад, Ge, Si, P, As, Sb, Bi, Se, Te, J, SiO2, утворюються за рахунок ковалентного зв’язку. Координаційне число дорівнює 8-N, де N – номер групи в періодичній системі елементів. Наприклад, атоми елементів 4-ї групи вуглець, германій, кремній, мають по чотири валентних електрони. До повного заповнення електронної оболонки не вистачає ще чотирьох електронів. Тому кожний атом утворює ковалентний зв’язок з чотирма атомами, і формується кристалічна гратка типу алмазу, рис1.8,в. Деяким твердим тілам властива не одна, а декілька кристалічних структур, які стійкі при різних умовах.

 

Ця властивість називається поліморфізмом. Наприклад, вуглець існує у двох поліморфних формах: типу алмазу (рис.1.8,в) і графіту (рис.1.8,г) з гексагональною кристалічною граткою;

г) метали мають кристалічні гратки: кубічну гранецентровану (рис1.8.а), гексагональну щільної упаковки (рис.1.8,д), кубічну об’ємноцентровану (рис.1.8,е);

д) гратку з водневим зв’язком має лід.

Описана вище ідеальна структура кристалів з дальнім порядком розміщення атомів в реальних умовах не існує. Термодинамічно рівноважною є структура з різними видами недосконалості (дефектами). Всі дефекти поділяються на точкові і просторові.

До точкових дефектів відносяться:

а) дефекти за Френкелем (рис.1.9,а), коли деякі атоми за рахунок теплової енергії покидають своє місце і переходять у простір між вузлами.

 

Цей атом, як і утворена вакансія, рухаються по кристалу. Вакансія переміщується внаслідок поестафетного її заповнення іншими регулярними атомами;

б) дефекти за Шотткі, коли поверхневий атом повністю втрачає зв’язок з  кристалом („випаровуються”) і переходить в пару (рис.1.9,б), або частково втрачає зв’язок з поверхнею і переходить в положення над поверхнею (часткове „випаровування”) (рис.1.9,в). При заміщенні вакансії атомами із глибини кристалу, вона затягується в об’єм;

в) домішкові атоми заміщення, рис.1.10,а), коли сторонній атом замінює регулярний, і домішкові атоми впровадження, рис.1.10,б), коли інший атом знаходиться у міжвузловому просторі. Сучасними методами очищення можна одержувати матеріали, які містять до 10-9 % домішки. Така чистота аналогічна наявності у 10 тонах пшениці  одного зерна ячменю.

Просторові дефекти – це:

а) мозаїчна структура. Кожний монокристал складається із монокристалічних блоків розмірами від 10-6 до 10-8м, які мають різну орієнтацію. Кут розорієнтації складає декілька хвилин. У місцях стикання блоків виникає перехідний шар, у якому відбувається перехід від однієї орієнтації до іншої. Зовнішній вигляд поверхні такого кристалу нагадує мозаїку;

б) дислокації. Поняття дислокацій було введено при теоретичному розрахунку міцності кристалів на зсув. Згідно з теорією під дією сколюючої напруги відбувається перемикання міжатомних зв’язків по всьому кристалу, тобто відбувається зсув однієї частини кристалу відносно іншої одночасно по всій площині ковзання. Але виявилось, що теоретична міцність на 3-4 порядки більша від експериментально виміряної. Така розбіжність була пояснена тим, що зсув і перемикання зв’язків відбувається не по всьому кристалу, а тільки в його частині. Внаслідок цього в одній частині кристалу виникає недобудована площина М (рис.1.11), яка називається екстраплощиною.

Границя О, позпозначена на рисунку знаком ┴ , що відокремлює область АВОМ, в якій відбувся зсув, від області КМОН не охопленої зсувом, називається лінійною дислокацією. Лінія о – центр дислокації. Вектор b, в напрямку якого відбувся зсув, називається вектором зсуву, або вектором Бюргерса.

Відстань між атомами в частині кристалу з екстраплощиною менша від нормальної (гратка стиснута), інша частина розтягнута. На рис.1.11 дислокації а) і б) мають протилежні знаки –  одна позитивна, інша негативна.

Якщо при деформації зсуву відбувається неповний одиничний зсув, наприклад, при різанні ножицями (рис.1.12), виникають гвинтові дислокації (правогвинтові і лівогвинтові). АВ – вісь дислокації.

Дислокації в кристалі виникають в процесі його утворення при зростанні блоків (рис.1.13),  при деформаціях (наклеп, прокатка, ковка).

Дислокації можуть рухатись по кристалу, долаючи перешкоди у виді різних дефектів, як це показано на рис.1.14. При цьому поблизу дефектів накопичується велика кількість дислокацій, що може привести до появи мікротріщини, і, як наслідок, до    руйнування кристалу.

Тому для підвищення міцності необхідно: а) формувати бездислокаційні кристали, що технологічно складно. Такі кристали мають невеликі розміри, порядку 10мкм, так звані „вуси”. Їхня міцність близька до теоретично розрахованої;

б) перешкодити накопиченню дислокацій в одному місці. Для цього необхідно обмежити їхню рухливість, що досягається створенням великої концентрації дефектів. Це досягається введенням легуючих домішок і гартуванням. При гартуванні утворюються дефекти за Френкелем і за Шотткі, які при швидкому охолодженні не зникають, а „заморожуються”.

You must be logged in to post a comment.

Фізика