Дефекты, типы дефектов. Энергия образования. Влияние на свойства материала

Лекция 18

Дефекты, типы дефектов. Энергия образования. Влияние на свойства материала.

На одной из предыдущих лекций мы получили равновесную концентрацию дефектов:

,                                                                                                                                            (18.1)

где - энергия образования дефекта (прирост внутренней энергии дефекта), - эйнштейновская частота, и частота атома соседствующего с дефектом, Z – число ближайших к дефекту атомов решётки.

Энергию  можно посчитать теоретически. Так энергию образования вакансии можно грубо оценить, предположив, что атом из внутренней области кристалла, где он окружён Z соседями, перемещён на поверхность, и посчитать разницу энергий этих двух состояний.

Согласно модели межатомных связей лучше всего подходящей для ковалентных кристаллов нужно разорвать Z связей и восстановить Z/2 связей. Если энергия, приходящаяся на одну связь равна .

Энергия необходимая для разрыва всех связей в кристалле из N атомов равна NL_S, где L_S – скрытая теплота испарения, приходящаяся на один атом. С другой стороны так как на каждый атом приходится Z связей, а каждая связь принадлежит двум атомам, то всего имеется связей в кристалле и энергия необходимая для их разрыва равна , следовательно т.е.

.                                                                                                                                            (18.2)

Величина для твёрдых тел обычно составляет несколько электрон-вольт. Полученная оценка завышена, т.к. связи перегруппировываются и энергия кристалла понижается так что реальная величина  несколько выше.

Поучительно применить этот метод для скопления вакансий. Для изолированных вакансии число разорванных связей 2Z, а для двух соседних 2Z-1.

                                                                                                                                            (18.3)

Учитывая, что

.                                                                                                                                            (18.4)

Тогда энергия связи дивакансии:

.                                                                                                                                            (18.5)

Отсюда следует, что вакансиям выгодно объединяться.

Точечными дефектами являются вакансия, междоузельный атом и примесный атом (он может быть как в позиции замещения, так и в междоузлии). Дефекты могут, если это энергетически выгодно, образовывать комплексы дефектов. Например, дивакансии, тривакансии и т.д. в конечном счёте вакансионные кластеры (где много вакансий) и поры. Если комбинировать названные дефекты, то возможно множество комплексов дефектов, более ста из них классифицированы. Точечные дефекты подвижны, особенно междоузельные атомы. Точечные дефекты могут взаимодействовать с линейными дефектами дислокациями они изменяют свойства кристаллов.

О дефектах кристалла.

В настоящее время существует достаточно глубоко разработанная теория прочности и пластичности реальных кристаллов, хорошо описывающая их свойства. Согласно этой теории в полном согласии с экспериментом эти свойства определяются, с одной стороны, типом кристаллической решётки и характером химической связи, с другой стороны и не в меньшей степени, наличием в кристалле различных типов дефектов, их количеством, пространственным распределением и взаимодействием между собой.

Различают точечные (нульмерные) и протяжённые (одномерные, двумерные и трёхмерные) дефекты. Нульмерные – это вакансии и междоузельные атомы (френкелевская пара).

По мимо нульмерных в реальных кристаллах всегда присутствуют протяжённые дефекты, важнейшими из которых являются дислокации (dislocahio - смещение). Эти дефекты представляют собой линии, вдоль и в близи которых нарушено характерное правильное для кристаллов расположение плоскостей. Простейшие виды дислокаций–это краевая и винтовая дислокации.

В отсутствие дефектов для пластической деформации кристалла необходимо осуществить синхронный сдвиг плоскостей относительно друг друга. Требуемые для этого напряжения составляют несколько десятков ГПа при Т << Т_плавл. Реальные напряжения необходимые для деформации кристаллов на 2-3 порядка меньше (благодаря дислокациям).

Дефекты могут образовывать кластеры, скопления. Они создают поля напряжений и при большом их количестве могут за счёт напряжений заставлять двигаться дислокации, это приводит к локальной пластической деформации.