Что такое дефекты упаковки в кристаллических решетках как они образуются
Что такое дефекты упаковки в кристаллических решетках как они образуются
При несовпадении решеток по разные стороны от линии дислокации, что имеет место при частичной дислокации, поверхность такого несовпадения должна иметь очень большую упругую энергию, поэтому в большинстве кристаллов, где образование частичных дислокаций энергетически не выгодно, таких смещений не происходит. Однако в плотноупакованных структурах такие дефекты образуются достаточно легко.
Рис. 3.24. Плоскости атомов в ГЦК решетке – а; возможные смещения атомов в ГПУ решетке – б [74]
Пусть атомы последовательно (от начала координат) располагаются в слоях АВСD. В проекции на одну из плоскостей (111) атомы D совпадут с А. Поэтому всю последовательность плотноупакованных плоскостей можно представить как ABCABC ABC …
Существуют также частичные дислокации, у которых вектор Бюргерса не лежит в плоскости дефекта упаковки. Наиболее важными из них являются дислокации, возникающие при схлопывании скопления вакансий или образовании скопления (кластера) межузельных атомов (рис. 3.25).
В ГЦК и в решетке типа алмаза появление таких дефектов происходит в плоскостях (111). Такая дислокация не способна скользить и поэтому называется сидячей, или дислокацией Франка. При этом возникает нарушение правильного чередования плотноупакованных слоев, которое по существу является дефектом упаковки. На рис. 3.25, а показано образование за счет скопления вакансий дефекта упаковки вычитания. При образовании скопления межузельных атомов возникает дефект упаковки внедрения (рис. 3.25, б).
Рис. 3.25. Сидячая дислокация Франка: а − дефект упаковки вычитания, образованный схлопыванием вакансий; б − дефект упаковки внедрения
Электронная библиотека
Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают такой строгой периодичностью в расположении атомов, о которой говорилось ранее, т.е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения.
Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).
Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам (рис. 1.4) относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия) аналогично межузельным атомам (примеси внедрения).
При переходе атома из равновесного положения (узла) в междоузлие возникает пара вакансия – межузельный атом, которая называется дефектом Френкеля, а если атом из своего узла выходит на поверхность кристалла, то образующийся дефект называется дефектом Шоттки.
Точечные дефекты являются центрами локальных искажений в кристаллической решетке. Однако заметные смещения атомов, окружающих вакансию или межузельный атом, создаются только на расстояниях нескольких атомных диаметров от центра дефекта, и поля упругих напряжений являются близкодействующими, т.е. быстро убывают (с увеличением расстояния).
Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации (рис. 1.5).
Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой. Если в идеальной решетке провести контур (контур Бюргерса) вокруг любого произвольного места, т.е. отложить определенное число параметров решетки вокруг этого места, то контур Бюргерса сомкнется.
Рис. 1.4. Схема точечных дефектов в кристалле:
а – точечный дефект вакансия; б – примесный атом замещения (атом A>B);
в – примесный атом замещения (атом В>А)
Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации (рис. 1.6), поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения.
Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расплава. Основным механизмом размножения дислокаций при пластической деформации являются так называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокаций, закрепленные на концах, которые под действием напряжения могут прогибаться, испуская при этом дислокации, и вновь восстанавливаться.
Рис. 1.5. Краевая (а) и линейная (б) дислокации в кристаллической решетке
Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в несколько межатомных расстояний в третьем измерении. К ним относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхности кристалла. Под дефектами упаковки подразумевают локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле.
Рис. 1.6. Сдвиговая деформация, осуществляемая скольжением краевой дислокации
Одним из видов дефектов являются так называемые двойники. Двойникованием, т.е. образованием двойников, называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки (рис. 1.7, б). Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла. Обычно деформация двойникованием являются монолитными, совершенными монокристаллами, а состоят из отдельных, так называемых субзерен (блоков), повернутых одно относительно другого на малый угол. Границы субзерен и зерен в металлах принято разделять на малоугловые (угол разориентировки менее 5°) и большеугловые (угол разориентировки более 5°).
На границах зерен скапливается большое количество дислокаций и вакансий. По границам зерен скапливаются также различные легкоплавкие неметаллические примеси, оксиды, мелкие поры и т.п., резко ухудшающие механические свойства материала. Тугоплавкие включения, наоборот, находятся внутри кристаллических зерен; они являются центрами кристаллизации, и при этом образуется мелкозернистая структура, что существенно улучшает механические характеристики материала.
Рис. 1.7. Деформация скольжением (а) и двойникованием (б)
Объемные (трехмерные) дефекты имеют сравнительно большие размеры во всех трех измерениях. К этому виду дефектов относятся пустоты (поры и трещины), инородные включения (в твердом или жидком состоянии), включения иной кристаллографической модификации или с другим стехиометрическим составом и т.п.
Каждый дефект (вакансия, дислокация) деформирует решетку. Число дефектов с повышением температуры и пластической деформации резко возрастает. Атомные (точечные) дефекты сильно влияют на электрические свойства кристалла. Например, тысячные доли процента некоторых примесей увеличивают электропроводность полупроводников в 10 5 —10 б раз.
Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00
Дефекты кристаллической решетки
Кристаллическое состояние вещества характеризуется жестко закономерным порядком размещением частиц в кристаллической решетке, который периодически повторяется и соответствует минимальному значению энергии системы, что согласуется с наличием ближнего и дальнего порядков. Кристаллическая структура с таким размещением частиц называется идеальным кристаллом. Однако реальные кристаллы обычно имеют несовершенное строение, что объясняется наличием дефектов кристаллической решетки.
Дефекты кристаллической решетки — это нарушение симметрии и идеальной периодичности в строении кристалла, а также отклонения строения от совершенной структуры.
Дефекты кристаллической решетки возникают в процессе роста кристалла вследствие неравновесности условий роста и наличия примесей, а также под влиянием механических и тепловых воздействий, электрических и магнитных полей или под действием ионизирующего излучения.
Дефекты в кристаллах классифицируются по различным признакам.
По происхождению дефекты кристаллической решетки делятся на микродефекты (нарушения в периодичности размещения частиц в кристаллической структуре) и макродефекты (трещины, укоренение молекул газа или маточного раствора).
По природе дефекты кристаллической структуры делятся на электронные и атомные.
Точечные дефекты связаны с отсутствием атома в узле кристаллической решетки или, наоборот, с появлением лишнего атома в узле или в междоузлие. Итак, точечные дефекты существуют в виде вакантных узлов (вакансий), в виде смещения частицы из узла кристаллической решетки в пространство между узлами (дефект укоренение) или в виде проникновения чужеродных атомов или ионов в кристаллическую решетку (дефект замещения — твердые растворы).
Виды точечных дефектов
В ионных кристаллах вакансии должны быть скомпенсированы таким образом, чтобы кристалл в целом был электронейтральным, поэтому точечные дефекты в кристалле возникают парами и бывают разноименно заряжены.
Вакансии в кристаллической решетке: а) в атомном кристалле; б) в ионном кристалле вакансия катиона; в) в ионном кристалле вакансия аниона
В реальных условиях формирования кристаллов происходит в разных условиях, в разных окружающих средах, что сказывается на характере и особенностях дефектов кристаллической решетки, которые возникают при росте кристалла. Рассматривают два основных механизма образования точечных дефектов:
Относительное содержание вакансий в кристаллах сравнительно небольше (
Точечные дефекты являются очень малыми во всех трех измерениях, их размеры по всем направлениям не превышают нескольких атомных диаметров — именно по этой причине их называют нульмерными.
Точечные дефекты повышают энергию кристалла, поскольку на образование дефекта была потрачена определенная энергия. Вокруг вакансии или лишнего атома в междоузлии решетка искажена, поэтому такой дефект в первом приближении можно рассматривать как центр сжатия или расширения кристалла.
Дефекты кристаллической решетки: а) вакансия, который является центром сжатия; б) укоренение — центр расширения
Важной особенностью точечных дефектов является их подвижность. Перемещение дефектов связано с преодолением потенциальных барьеров, высота которых определяется природой дефекта, структурой решетки и направлением движения дефекта. Перескоки вакансий приводят к перемещению атомов, то есть к самодиффузии примесных атомов замещения.
Линейные (одномерные) дефекты, или дислокации (смещения) возникают в местах обрыва плоскостей кристаллической решетки (краевые дислокации), при закручивании этих плоскостей (винтовые дислокации), а также при последовательном соединении точечных дефектов (цепочке дислокаций). Дислокации могут перемещаться в теле кристалла, скапливаться на участках крупнейших напряжений, а также выходить на поверхность и нарушать поверхностный слой. Линейные дефекты имеют атомные размеры в двух измерениях и только в третьем их размер сопоставим с длиной кристалла.
Наличие дислокаций и их подвижность вызывают изменение пластичности кристаллов, обусловливают напряжения и могут приводить к полному разрушению структуры.
Винтовые дислокации возникают при частичном смещении атомных слоев по некоторой плоскости Q, в результате чего нарушается их параллельность. Кристалл как бы закручивается винтом в виде полого геликоида вокруг линии ЕF, которая является линией дислокации, своеобразной границы, которая отделяет ту часть скольжения, где сдвиг уже завершился, от части, где он не происходил. На поверхности кристалла образуется ступенька, которая проходит через точку Е к краю кристалла. Такое смещение нарушает параллельность атомных слоев и кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную спиралью вокруг линии дислокации. Вблизи нее атомы смещаются из своих узлов и кристаллическая решетка нарушается, что вызывает образование поля напряжения: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже — растянута.
Винтовые дислокации
Поверхностные, или плоские (двумерные) дефекты имеют малые размеры только в одном измерении. Они образуются между двумя кристаллическими поверхностями, повернуты и смещены друг относительно друга, или при неправильной упаковке частиц в слое, или на грани укоренившихся другой фазы в виде сети дислокаций. Кроме того, поверхностные дефекты возникают по границам зерен кристалла.
Двумерные поверхностные дефекты
Объемные (трехмерные) дефекты — это нагромождение вакансий, пустот, пор, каналов внутри кристалла; частицы, которые укоренились в кристалл во время его роста (растворитель, пузырьки газа), зародыши новой кристаллической фазы, возникающие при равновесных условий существования кристалла. Трехмерные дефекты имеют относительно большие размеры во всех трех измерениях. Они представляют собой конгломераты из многих точечных и линейных дефектов, образуется при нарушении режима кристаллизации.
Дефекты любого типа влияют на свойства кристаллов, в частности на механическую прочность. Вместе с тем для проведения многих гетерогенных процессов бывает нужно иметь твердое тело с очень развитой внутренней поверхностью вследствие существования сети каналов, пор, трещин, поэтому для получения таких кристаллических веществ используются специальные методы созидания объемных дефектов. Регулировка количества дефектов кристаллической решетки позволяет модифицировать химические и физические свойства веществ в желаемом направлении, что, в свою очередь, дает возможность получать новые типы материалов с заранее заданными признаками.
Виды дефектов кристаллической решетки
Линейные несовершенства или дислокации являются линиями, вдоль которых проходят целые ряды атомов в твердом теле. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные дефекты могут ослаблять или укреплять твёрдые тела, поэтому они даже создаются искусственно методом хонингования.
Изучение искажений кристаллической решётки важно для моделирования электрического поведения полупроводников, материалов, используемых в компьютерных микросхемах и других электронных устройствах, а также для оценки их влияния на механические свойства.
Точечные дефекты (нульмерные)
Точечные дефекты в кристаллах представляют собой искажения решётки с нулевой размерностью, т.е. ни в какой размерности они не обладают структурой решётки.
Типичные точечные несовершенства подразделяются на три группы:
примесные атомы в чистом металле;
Вакансии получают путём нагревания в концентрациях, достаточно высоких для количественных исследований. Для получения аналогичных концентраций межузельных атомов точечные искажения можно получить, выполняя внешнюю работу с кристаллом. Такая работа выполняется в атомном масштабе за счет облучения энергоёмкими частицами. Столкновения между посторонними атомами и атомами решётки вызывают смещения последних от мест замещения к местам внедрения. Таким образом, вакансии и междоузлия производятся в равных количествах. Поскольку одна вакансия и одно междоузлие вместе образуют дефект Френкеля, облучение, по сути, является процессом образования такого дефекта. Это невыгодно по сравнению с экспериментальным исследованием межузельных свойств, поскольку радиационно-индуцированные изменения свойств кристаллов всегда включают роль вакансий.
При пластической деформации также образуются вакансии и межузельные частицы. Хотя деформация обходится намного дешевле, чем облучение частицами, метод не стал общепринятой процедурой для создания точечных дефектов, поскольку не позволяет производить контролируемое образование искажений независимо от сложных сетей дислокаций.
Аномально высокие концентрации точечных несовершенств встречаются в некоторых нестехиометрических интерметаллических соединениях. Здесь вакансии и внедрения уже играют роль дополнительных легирующих элементов и имеют в этом смысле термодинамическое значение.
В чистых металлах и в большинстве сплавов вакансии обеспечивают термически активированный перенос атомов и, следовательно, свойства вакансий напрямую влияют на перенос атомов. Свойства вакансии дают информацию о межатомных силах с помощью особых возмущений, которые зависят от вакантного узла решётки.
Линейные (одномерные)
Поверхностные (или одномерные) дефекты могут возникать на границе между двумя зёрнами или небольшими кристаллами внутри кристалла большего размера. Ряды атомов в двух разных зёрнах могут проходить в отличающихся направлениях, что приводит к несоответствию на границе зерна. Внешняя поверхность кристалла фактически также является дефектом, потому что атомы вынуждены корректировать свое положение, чтобы приспособиться к отсутствию соседних атомов вне поверхности.
Поверхностные (двухмерные)
Основная часть исследований в области химии поверхности связана с механизмами реакций на поверхности и идентификацией адсорбированных и реагирующих частиц.
Однако небольшое количество исследователей интересуются влиянием поверхности на возникновение и развитие дефектов. Структура поверхности на атомарном уровне может определять свойства материала.
Известно, что несовершенства структуры кристаллов, являясь активными центрами, контролируют многие механические и химические свойства твёрдых тел. С увеличением общего количества поверхностных дефектов растёт число атомов с различным числом разорванных связей.
Двухмерные искажения подразделяются на три группы:
Возникающие на границах зёрен.
Границы зон двойникования.
Все поверхностные структуры получаются в результате различной ориентации смежных кристаллических решёток.
Объемные (трехмерные)
Междуузельные соединения являются наиболее распространенным представителем объёмных дефектов.
Трёхмерные искажения решётки образуются из-за большого возмущения её размеров. Следствием такого возмущения являются изменения, которые связаны с динамическими и статическими свойствами материалов.
Объёмные несовершенства играют ключевую роль в развитии типичных структур повреждений, которые определяют не только микроструктуру, но и микрохимию сплавов.
дефект упаковки
дефект упаковки [stacking fault] — нарушение чередования плотноупакованных атомных слоев в кристаллической решетке. Например, чередование атомных слоев в плотной упаковке АВСАСАВС. свидетельствует, что в ГЦК решетке (чередование слоев АВСАВС. ) имеется прослойка с ГПУ решеткой (чередование слоев САСА). С дефектом упаковки связан избыток энергии, который в расчете на единицу площади дефекта упаковки называют энергией дефекта упаковки. По возрастанию энергии дефекта упаковки металлы располагаются в ряд: Ag, Au, Cu, Al, α-Fe, Mo. Очень низкая энергия дефекта упаковки у аустенита нержавеющей стали и у α-латуни. Границы дефекта упаковки внутри кристалла-так называемые частичные дислокации с малым вектором Бюргерса (Смотри Дислокация).
Две частичные дислокации с полосой дефекта упаковки между ними называют растянутой дислокацией. Чем ниже энергия дефекта упаковки, тем шире растянутая дислокация.
Полезное
Смотреть что такое «дефект упаковки» в других словарях:
дефект упаковки — Нарушение чередования плотноупаков. ат. слоев в кристаллич. решетке. Напр., чередование ат. слоев в плотной упаковке АВСАСАВС. свидетельст., что в ГЦК решетке (чередование слоев АВСАВС. ) имеется прослойка с ГПУ решеткой (чередование слоев… … Справочник технического переводчика
дефект упаковки — sanglaudos defektas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. packing defect; stacking fault vok. Stapelfehler, m rus. дефект упаковки, m pranc. défaut de paquetage, m; défaut d emballage, m … Radioelektronikos terminų žodynas
дефект упаковки — sanglaudos defektas statusas T sritis chemija apibrėžtis Kristalo defektas, susidaręs dėl netaisyklingo sluoksnių išsidėstymo. atitikmenys: angl. packing defect rus. дефект упаковки … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
ДЕФЕКТ УПАКОВКИ — [stacking fault] нарушение чередования плотноупакованных атомных слоев в кристаллической решетке. Например, чередование атомных слоев в плотной упаковке АВСАСАВС. свидетельствует, что в ГЦК решетке (чередование слоев АВСАВС. ) имеется… … Металлургический словарь
треугольный дефект упаковки — sanglaudos defektų trikampis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. stacking fault triangle; triangular stacking fault vok. Stapelfehlerdreieck, n rus. треугольник дефектов упаковки, m; треугольный дефект упаковки, m pranc. défaut… … Fizikos terminų žodynas
дефект кристаллической решетки — [lattice defect] нарушение закономерного периодического расположения материальных частиц (атомов, ионов, молекул) по узлам пространственной решетки кристалла. Дефекты кристаллической решетки подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.… … Энциклопедический словарь по металлургии
дефект формы — [shape defect] отклонение формы изделия от заданной технологическим условиями (напр, кривизна, неплоскостность, серповидность и т.д.). Смотри также: Дефект дефект упаковки радиационный дефект … Энциклопедический словарь по металлургии
дефект прокатки — [rolling defect] дефект (1.) поверхности или формы металла, образующийся при прокатке. Смотри также: Дефект дефект формы дефект упаковки радиационный дефект … Энциклопедический словарь по металлургии
дефект разливки — [casting defect] дефект (1.) металла, обусловленный нарушением технологии разливки. Смотри также: Дефект дефект формы дефект упаковки радиационный дефект дефект прокатки … Энциклопедический словарь по металлургии
Дефект — [defect] 1. Отклонение от предусмотренного техническими условиями качества готового металлоизделия или полупродукта, частично или полностью нарушенная совокупность свойств изделия данного вида (химический состав, структура, сплошность и др.),… … Энциклопедический словарь по металлургии