Кристалічні дефекти: Чому жоден справжній кристал не є ідеальним

Жоден справжній кристал не є ідеальним

Ідеалізований кристал – це бездоганно повторювальна решітка, атом за атомом, назавжди. Реальний кристал не є таким, і недоліки – дефекти – не є результатом виробничого процесу, який потрібно усувати; скоріше, це термодинамічна невідбувна реальність, і часто є найважливішим фактором, що визначає поведінку матеріалу: його колір, провідність, міцність, а також те, як він деформується замість того, щоб тріснути.

Точкові дефекти: вакансії та міжкристалітні дірки

Найпростіші дефекти – це окремі відсутні або зміщені атоми. Вакансія – це порожнє місце решітки, де повинен бути атом. Міжкристалітна дірка – це додатковий атом, стиснутий у проміжку між звичайними місцями решітки, куди не належить атом в ідеальній структурі. Штокктові дефекти – це вакансії, які балансують заряд шляхом видалення парів (катіонної та аніонної вакансій разом) в іонній кристалі; френкелівський дефект – це атом, який покинув своє регулярне місце розташування та перемістився до поблизу міжкристалітної позиції, тому вакансія та міжкристалітна дірка з'являються як зв’язана пара. Замінні дефекти – це інородний атом, що займає регулярне місце решітки замість атома-господаря – є основою для легування та допірування напівпровідників.

Чому завжди існують вакансії: аргумент ентропії

Навіть хімічно ідеальний кристал при будь-якій температурі вище абсолютної нуля містить рівноважну концентрацію вакансій, оскільки створення кількох вакансій потребує енергії, але дає значний приріст конфігураційної ентропії – існує надзвичайно багато способів розподілу невеликої кількості вакансій по сайтах решітки. Мінімізація вільної енергії G = H - TS балансує обидва фактори, і отриманий рівноважний відсоток вакансій слідує за формою, подібною до Arrhenius:

n_v / N = exp(-E_v / (k_B * T)) де E_v – енергія утворення однієї вакансії, k_B – стала Больцмана, а N – загальна кількість сайтів решітки. Це означає, що концентрація вакансій зростає експоненціально з підвищенням температури – метал, який наближається до точки плавлення, може мати відсоток вакансій у багато порядків величини вищий, ніж той самий метал при кімнатній температурі, що й пояснює різке прискорення процесів, таких як дифузія та пластична деформація, коли матеріал наближається до точки плавлення: вакансії є атомами, які використовують як транспортні засоби, для переміщення через решітку.

n_v / N = exp(-E_v / (k_B * T))

Лінійні дефекти: дислокації та чому метал гнуттям, а не тріщинами

Дислокація – це одновимірний дефект – лінія, а не точка – вздовж якої порушується регулярне укладання атомних площин. Існують два основні типи: з’ярювальна дислокація, коли додаткова півплощина атомів вставляється в решітку як кінець скребка, та спіральна дислокація, коли решітка розрізається спиральним схилом навколо лінії дислокації. Обидва типи описуються вектором Бурга – мірою розміру та напрямку деформації решітки, яку несе дислокація. Якщо пройти замкнутий контур навколо дислокації в реальному кристалі, вона не закриється точно з вектором Бурга.

Дислокації важливі, оскільки вони визначають пластичну деформацію кристалічних матеріалів без руйнування всіх зв’язків одночасно в площині. Зсув цілої атомної площини мимоволі по сусідню потребував би напруження, що в рази перевищує те, яке витримують метали; переміщення дислокації через решітку по черзі (зсув) досягає тієї ж загальної зміни з меншим навантаженням, оскільки потрібно лише переупорядкувати атоми безпосередньо біля ядра дислокації в будь-який момент. Це було вирішення історичної проблеми – теоретичні розрахунки міцності ідеальних кристалів передбачали значно вищі рівні напружень, ніж ті, що були виміряні, доки не були запропоновані дислокації незалежно в 1930-х роках.

Зміцнення шляхом перешкоджання руху дислокації

Оскільки пластична деформація відбувається за рахунок руху дислокацій, будь-що, що перешкоджає цьому руху, зміцнює матеріал. Зміцнення твердим розчином розсіює атоми домішок (замінні або міжкристалічні) через решітку, створюючи таким чином невелике локальне напруження, яке дислокація повинна подолати. Зміцнення за рахунок зерен (відношення Халле-Петча) базується на тому, що дислокації важко перетинати в зерно з іншим орієнтацією, отже, більша кількість меж зерен на одиницю об’єму – більш дрібний розмір зерен – означає, що дислокація вичерпає свій простір для ковзання швидше. Зміцнення від деформації накопичує велику кількість дислокацій від попередньої деформації, які фізично сплутуються та перешкоджають один одному. Усі три методи – це способи інженерії популяції дефектів, а не їх видалення, для контролю механічної міцності.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Crystal Lattice Defects і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.