Что такое дислокация в химии

Дислокация в кристаллах

Типы дислокаций. Простейшими видами Д. являются краевая и винтовая Д. В идеальном кристалле соседние атомные плоскости параллельны на всём своём протяжении; если одна из атомных плоскостей обрывается внутри кристалла (рис. 1, а), возникает краевая Д., край «лишней» полуплоскости является её осью.

Применение электронных микроскопов с большой разрешающей способностью позволяет непосредственно наблюдать в нек-рых кристаллах специфичное для краевой Д. расположение атомных рядов (рис. 1, б). Область нерегулярного расположения атомов на линии Д., вытянутая вдоль её оси и имеющая поперечные размеры порядка неск. межатомных расстояний, наз. ядром Д. Нек-рое представление о характере нарушений регулярности кристаллич. решётки вблизи ядра Д. в металлах может быть получено при изучении изображений дефектной части кристалла, возникающих на экране ионного микропроектора. На рис. 1, в атомы ядра Д. условно расположены по контуру заштрихованного пятиугольника. Одновременно на рис. 1, в показано, что краевая Д. может быть получена в результате незавершённого сдвига верх. части кристалла на один период кристаллич. решётки вдоль плоскости, проходящей через ось Д. Направление сдвига, создающего краевую Д., перпендикулярно её оси.

Винтовую Д. можно представить себе как результат сдвига на период решётки одной части кристалла относительно другой вдоль нек-рой полуплоскости параллельно её краю, играющему роль оси Д. (рис. 2, а). T. о., порождающий винтовую Д. сдвиг параллелен её оси. В случае винтовой Д. ни одна из атомных плоскостей не оканчивается внутри кристалла, но сами плоскости, являясь только приблизительно параллельными, смыкаются в одну винтовую поверхность. Если ось винтовой Д. выходит на внеш. поверхность кристалла, то на последней образуется характерная ступенька высотой в толщину одного атомного слоя. При кристаллизации атомы легко присоединяются к ступеньке на поверхности растущего кристалла (рис. 2, б), смещают край ступеньки, вызывая её закручивание вокруг оси Д. Ступенька последовательно поднимается с одного «кристаллич. этажа» на другой, что приводит к спиральному росту кристалла (рис. 2, в).

Между предельными типами краевой и винтовой Д. возможны любые промежуточные, в к-рых линия Д. не обязательно прямая: она может представлять собой произвольную плоскую или пространственную кривую. Порождающий Д. сдвиг описывается постоянным вдоль линии Д. вектором Бюргерса b, совпадающим с одним из трансляц. периодов кристаллич. решётки. Плоскость, проходящая через b и касающаяся линии Д. в рассматриваемой точке, наз. плоскостью скольжения данного элемента Д. Возможные системы плоскостей скольжения определяются структурой кристаллич. решётки. Огибающая плоскостей скольжения всех элементов Д. наз. её поверхностью скольжения (цилиндрич. поверхность, образующие к-рой параллельны b, а направляющей служит линия Д.). Линии Д. не могут обрываться внутри кристалла и должны либо быть замкнутыми (петли Д.), либо выходить на поверхность кристалла, либо разветвляться на др. Д. В последнем случае образуется сетка Д., в каждом узле к-рой выполняется закон сохранения вектора Бюргерса: сумма векторов Бюргерса Д., входящих в узел, равна сумме векторов Бюргерса Д., выходящих из узла.

Рис. 3. Поля упругих напряжений вокруг краевых дислокаций в кристалле Si, выявленные по наблюдению фотоупругости; линии дислокации перпендикулярны плоскости рисунка.

Д. порождают вокруг себя упругие деформации и напряжения, поэтому являются источниками упругих полей в кристалле (см. Упругость ).Упругие деформации вокруг Д. по своему распределению в кристалле напоминают магн. поле пост. тока, контур к-рого совпадает с линией Д., а сила к-рого пропорц. b. Напр., у винтовой Д., направленной по оси z, поля тензора деформаций и тензора напряжений имеют следующие отличные от нуля компоненты в цилиндрических координатах :

:

Рис. 4. Граница разориентировавных блоков, образованная краевыми дислокациями.

Д. как источник упругого поля испытывает действие силы, обусловленной сдвиговыми напряжениями в кристалле и напоминающей силу действия магн. поля на проводник с током. Величина силы, приложенной к единице длины линии Д., равна , где — соответствующая сдвиговая компонента тензора напряжений . Напр., если краевая Д. параллельна оси z и ее вектор b направлен по оси z, то . Равновесная форма Д. определяется условием равенства силы f и сил неупругого происхождения, аналогичных силам трения.

Рис. 5. Схема пластической деформации в результате скольжения дислокации.

T. о., Д.- носители пластичности монокристалла. Многие проявления пластичности кристаллов связаны с разл. видами движения отд. Д. или целых их рядов и скоплений.

Рис. 6. Переползание краевой дислокации, сопровождающееся изменением числа точечных дефектов в кристалле.

Скольжение Д. не вызывает локального изменения объёма или плотности кристалла и поэтому наз. консервативным движением. Существует неконсервативное движение Д., или переползание, при к-ром краевая Д. смещается в направлении, перпендикулярном плоскости скольжения. Переползание связано с неупругим изменением плотности кристалла вдоль линии Д. и происходит путём «наращивания» или «растворения» атомных рядов на краю «лишней» атомной полуплоскости, что, в свою очередь, сопровождается образованием или исчезновением вакансий и межузельных атомов (рис. 6). Если переползание вызвано постоянным сдвиговым напряжением, то связанный с этим перенос материала осуществляется за счёт диффузии атомов или вакансий из кристалла к линиям Д., и направление диффузионных потоков задаётся тензором напряжений. T. к. коэф. диффузии резко уменьшаются с понижением температуры, то переползание Д. с заметной скоростью происходит только при достаточно высоких темп-pax. Согласованное переползание системы Д. обеспечивает механизм дислокационно-диффузионного течения кристаллов.

Развитие пластич. деформации, связанное с перемещением Д., существенно определяется скоростью их движения (подвижностью) и интенсивностью образования (зарождения) подвижных Д. Подвижность Д. в предельно чистых и совершенных кристаллах зависит от характера сил межатомных связей, от взаимодействия с фононами и электронами проводимости (в металлах). Подвижность Д. в неидеальных кристаллах уменьшается за счёт их взаимодействия друг с другом и с др. дефектами, к-рое приводит к торможению или застопорению движущихся Д. и вызывает упрочнение кристалла при деформировании. Но оно же приводит к возникновению новых Д., без чего невозможно обеспечить значит. пластич. деформацию. Если бы новые Д. не рождались в кристалле, то пластич. деформация прекратилась бы после выхода на поверхность тела всех подвижных Д. При повышении внеш. напряжений интенсивность размножения Д. увеличивается, и ср. расстояния между Д. сокращаются. Возникает дислокационная структура, к-рая либо полностью препятствует движению Д. (тогда дальнейший рост нагрузки приводит к разрушению кристалла путём зарождения и распространения микротрещин), либо придаёт движению Д. кооперативный характер, обеспечивающий очень большие пластич. деформации (кристалл может перейти в состояние сверхпластичности).

Взаимодействие дислокации с дефектами кристаллической решётки. Упругое взаимодействие Д. с точечными дефектами (примесными атомами и вакансиями) приводит к повышению концентрации последних вблизи оси Д. и образованию вокруг неё т.н. облаков Котрелла. Сгущение атмосферы Котрелла в перенасыщенных твёрдых растворах может привести к коагуляции примесей на Д. В прозрачных кристаллах это приводит к «декорированию» Д., что делает их визуально наблюдаемыми (рис. 7). Осевшие на Д. примеси блокируют её движение, как бы «пришпиливая» в нек-рых точках линию Д. В реальных условиях отрыв от примесей является осн. механизмом преодоления препятствий движению Д. (стопоров). При высоких темп-pax Д. преодолевает стопоры термоактивац. путём, при низких темп-pax возможны процессы квантового туннелирования.

Рис. 7. Сетка дислокаций в кристалле KCI, декорированных Ag (размер ячейки порядка неск. мкм).

Взаимодействие с др. Д. может быть как упругим, так и контактным, когда при скольжении пересекается «лес» Д. разных ориентации. Пересечение двух разных систем порождает изломы на линиях Д., не способные к скольжению при том же характере внеш. нагрузки и перемещающиеся путём переползания. В результате включается диффузионное взаимодействие Д. с точечными дефектами. В случае переползания большого числа участков Д. в кристалле может возникнуть неравновесная концентрация вакансий. Наоборот, при избытке вакансий в кристалле (в процессе отжига или при облучении) может происходить их коагуляция в плоские дискообразные полости, после «захлопывания» к-рых образуются кольцевые краевые Д.

Д. взаимодействует с межзёренными границами в поликристаллах и со свободной поверхностью монокристалла (рис. 8, а). При выходе Д. на внеш. поверхность на последней образуется ступенька роста (рис. 8, б). В распадающихся сплавах Д. взаимодействует с макроскопич. включениями новой фазы. Контактное взаимодействие с протяжёнными дефектами может фиксировать нек-рые участки Д., изменяя характер её движения: скользящая Д. «переползает» в др. параллельную плоскость скольжения, происходит поперечное скольжение в плоскости, наклонённой к исходной, возникают замкнутые петли Д., проявляющие себя как источники Д.

Дислокации в физические свойства кристаллов. Д. влияют в первую очередь на механич. свойства твёрдых тел (упругость, пластичность и прочность), для к-рых их присутствие часто является определяющим. Упругие поля Д. изменяют оптич. свойства кристаллов, на чём основан метод наблюдения изолированных Д. в прозрачных материалах (рис. 3). T. к. упругие напряжения сравнительно легко вовлекают Д. в движение, то в случае интенсивных тепловых колебаний кристалла (см. Колебания кристаллической решётки) Д. периодически смещаются из своих равновесных положений и часть энергии колебаний идёт на их перемещение. Но т. к. движение Д. сопровождается определ. торможением, то Д. рассеивают колебат. энергию, давая ощутимый вклад во внутреннее трение в твёрдых телах.

Нарушение регулярности кристаллич. решётки в ядре Д. приводит к тому, что в местах выхода линий Д. на внеш. поверхность тела хим. стойкость кристалла ослабляется и спец. реагенты способны разрушать окрестность оси Д. В результате обработки поверхности кристалла таким травителем в местах выхода Д. образуются видимые ямки. Метод избират. травления является основным для непосредств. наблюдения отдельных Д. в массивных образцах непрозрачных материалов (рис. 9).

Рис. 9. Дислокации в кристалле KCl, выявленные методом травления; дислокационное скопление в полосе скольжения пересекает границу блоков (наклонный ряд ямок травления).

Возникновение системы «оборванных» атомных связей в ядре Д. выделяет линию Д. в отношении электрических, магн. и оптич. свойств, в частности Д. может нести или захватывать электрич. заряд и обладать намагниченностью, отличной от ср. намагниченности кристалла. Наличие Д. повышает электросопротивление проводников и изменяет концентрацию свободных носителей заряда в полупроводниках. Значит. роль играют Д. в магн. кристаллах, существенно определяя разл. релаксац. явления.

Д. косвенно влияют на свойства кристаллов, зависящие от характера распределения и перемещения в них точечных дефектов (примесей, вакансий, центров окраски и др.). Во-первых, при определ. характере движения Д. испускает или поглощает вакансии, изменяя их общее кол-во в кристалле. Динамич. образование заряж. вакансий в ионных кристаллах и полупроводниках может сопровождаться люминесценцией. Во-вторых, скорость диффузионного перемещения точечных дефектов вдоль оси Д., как правило, больше, чем скорость их диффузии через объём регулярного кристалла. Коэф. линейной диффузии вдоль Д. может на неск. порядков превышать коэф. объёмной диффузии (см. Диффузия). Поэтому Д. играют роль «дренажных трубок», по к-рым точечные дефекты довольно легко могут перемещаться на большие расстояния в кристалле.

Источник

Дислокация (кристаллография)

Дислокация — линейный дефект кристаллической решётки твёрдого тела, представляющий собой наличие «лишней» атомной полуплоскости.

Общее определение

Основная геометрическая характеристика дислокаций — вектор Бюргерса. Если в идеальном кристалле провести замкнутый контур, а затем попытаться провести такой же контур вокруг области с дислокацией, то контур будет разорван. Вектор, который нужно провести для замыкания этого контура, и есть вектор Бюргерса дислокации. Он характеризует величину и направление сдвига атомных плоскостей, приводящего к образованию дислокации. В зависимости от угла φ между вектором Бюргерса и линией дислокации различают дислокации винтовые (φ=0), краевые (φ=90°) и смешанные (произвольный угол φ). Смешанные дислокации могут быть разложены на краевую и винтовую компоненты. Образование краевой дислокации можно представить как результат удаления из кристалла одной кристаллической полуплоскости. Линия, отделяющая дефектную область кристалла от бездефектной, называется линией дислокации. Простейшая наглядная модель краевой дислокации — книга, у которой от одной из внутренних страниц оторвана часть. Тогда, если страницы книги уподобить атомным плоскостям, то край оторванной части страницы моделирует линию дислокации.

Источники

Полезное

Смотреть что такое «Дислокация (кристаллография)» в других словарях:

Дислокация — Дислокация: Дислокация (кристаллография) Дислокация (военное дело) Тектоническая дислокация Смещение костей при переломе (медицина) См. также Дислокация мозга … Википедия

Физика твёрдого тела — Физика твёрдого тела раздел физики конденсированного состояния, задачей которого является описание физических свойств твёрдых тел с точки зрения их атомарного строения. Интенсивно развивалась в XX веке после открытия квантовой механики.… … Википедия

Дефекты кристалла — Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько видов дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные… … Википедия

Дефекты кристаллической решётки — Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько разновидностей дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные дефекты, одномерные,… … Википедия

Модель Френкеля — Солитон, или дислокация Френкеля Конторовой (ФК солитон) это модель особого рода дефекта в кристаллической структуре твёрдого тела. Была разработана Френкелем и Конторовой в 1930х годах. Предельный случай дислокации это «дырка»… … Википедия

Вектор Бюргерса — (b) количественная характеристика, описывающая искажения кристаллической решётки вокруг дислокации. Важнейшие виды линейных дефектов краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация представляет собой край «лишней» полуплоскости в решётке … Википедия

ДЕФЕКТЫ — в кристаллах (от лат. defectus недостаток, изъян), нарушения полностью упорядоченного расположения частиц (атомов, ионов, молекул), характерного для идеального кристалла. Образуются в процессе роста кристалла из расплава или р ра, а также под… … Химическая энциклопедия

ПОЛУПРОВОДНИКИ — широкий класс в в, характеризующийся значениями уд. электропроводности s, промежуточными между уд. электропроводностью металлов s=106 104 Ом 1 см 1 и хороших диэлектриков s=10 10 10 12 Ом 1см 1 (электропроводность указана при комнатной темп ре).… … Физическая энциклопедия

кристалл — ▲ твердое (состояние) ↑ с, порядок, располагаться, молекула кристалл твердое состояние с упорядоченным расположением молекул. кристаллический. кристальный. < > аморфный монокристалл кристалл с непрерывной кристаллической решеткой. друза.… … Идеографический словарь русского языка

Источник

Основные виды дислокаций

Понятие о дислокациях.

Дислокации принадлежат к линейным несовершенствам кристалла. Первоначально представление о дислокациях было введено в физику кристаллов для того, чтобы объяснить несоответствие между наблюдаемой и теоретической прочностью и описать атомный механизм скольжения при пластической деформации кристаллов. Впоследствии теория дислокаций получила широкое развитие и стала применяться для анализа самых разнообразных явлений в металлах и сплавах. Позже были получены прямые доказательства их существования, гипотеза подтвердила свою состоятельность в 1934 г. В настоящее время используются разнообразные экспериментальные методы изучения дислокаций в металлах и сплавах.

Краевая дислокация. На рис.1 показан параллелепипед, верхняя часть которого сдвинута относительно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировано положение, когда сдвиг охватил не всю плоскость скольжения от правой границы до левой, а лишь часть плоскости скольжения. ABCD – участок плоскости скольжения, в котором произошел сдвиг, AB – граница этого участка.

На рис.2 показан разрез параллелепипеда по атомной плоскости, перпендикулярной линии АВ.

Одна вертикальная атомная плоскость в верхней половине кристалла уже не имеет продолжения в нижней половине кристалла. Такую «лишнюю», неполную атомную плоскость называют экстраплоскостью. Выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше нормальных, ниже края экстраплоскости – больше нормальных.

Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией. Можно мысленно себе представить, что рассматриваемая область находится внутри трубы, осью которой является край экстраплоскости. Вне этой трубы строение кристалла близко к идеальной решетке, а внутри (в т.н. ядре дислокации) сильно искажено. В верхней части находится область сгущения атомов, в нижней – разрежения.

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной, если в нижней – отрицательной.

Винтовая дислокация. Понятие винтовой дислокации в физику твердого тела ввел в 1939 г. Бюргерс.

Сделаем надрез по плоскости ABCD и сдвинем правую часть кристалла вниз на один период решетки.

Образовавшаяся при таком сдвиге ступенька на верхней грани не проходит через всю ширину кристалла, оканчиваясь в т.В. Величина смещения правой части относительно левой уменьшается по направлению от т.А к т.В. Верхняя атомная плоскость оказывается изогнутой.

Т.к. после появления такой дислокации в кристалле он состоит из атомной плоскости, закрученной в винтовую лестницу, то эта дислокация называется винтовой.

Дислокация, как резьба винта, может быть правой или левой. Правая: линия дислокации (ось) от верхнего горизонта к нижнему обходится по спирали и по часовой стрелке.

Образование краевой дислокации всегда сопровождается изменением объема кристалла решетки. Винтовая дислокация не вызывает объемных изменений, но дислокациям того и другого вида сопутствуют касательные (сдвигающие) напряжения.

Механизм образования дислокаций

В реальных монокристаллах дислокации возникают в процессе кристаллизации, а также в процессе пластической деформации. Механизм возникновения дислокаций в процессе кристаллизации из жидкого расплава разнообразен.

1. На рисунке показаны границы двух блоков, растущих навстречу друг другу. Блоки повернуты на небольшой угол φ. При срастании блоков ряд атомных плоскостей не проходит через весь кристалл и заканчивается на границах блоков. В этих местах и возникают дислокации.

Такая же картина наблюдается и при срастании различно ориентированных зерен в поликристаллическом образце. В реальных твердых телах протяженность границ блоков и зерен и количество дислокаций их исключительно велики (в хорошо отожженных металлах плотность дислокаций

2. Источником дислокаций в недеформированном кристалле могут служить также скопления вакансий. На рисунке приведен пример образования положительной дислокации из скопления вакансий.

Сдвигообразование в кристалле, развивающееся под действием внешней силы, представляет собой движение дислокаций по плоскостям скольжения и выход их на поверхность кристалла. Если бы сдвигообразование происходило только за счет выхода дислокаций, уже имеющихся в кристалле, то процесс пластического деформирования привел бы к уменьшению дислокаций и переводу кристалла в более совершенное состояние. Однако опыт показывает, что с ростом степени деформации искажение решетки не уменьшается, а, наоборот, растет. Следовательно, увеличивается и плотность дислокаций.

3. Современная теория твердого тела исходит из того, что дислокации генерируются (возникают) уже в процессе самой деформации.

Механизм возникновения дислокаций в процессе пластической деформации выяснен не полностью, и существует ряд гипотез, часть из которых имеет косвенное экспериментальное подтверждение. Наиболее обоснованной является гипотеза, объясняющая возникновение новых дислокаций наличием локальных препятствий движению исходной дислокации. Эта гипотеза была предложена Франком и Ридом в 1950 г. Были предложены 2 варианта возникновения дислокаций. Наибольшее распространение получил следующий механизм размножения дислокаций:

Дислокационная линия закреплена с двух сторон. Это так называемый источник Франка-Рида. Приложенные напряжения выгибают линию дислокаций в дугу. Радиус кривизны зависит от приложенного напряжения τ и уменьшается по мере роста этого напряжения. Минимальный радиус получится, когда линия дислокаций примет форму полуокружности. Дальнейшее движение дислокации может приводить к увеличению радиуса кривизны линии дислокации, что должно соответствовать уменьшению напряжения τ. При неизменном же значении τ линия дислокации должна закручиваться вокруг точек D и D’. Линия дислокации образует большую петлю, которая в результате встречного движения m и n в конечном итоге превращается в замкнутую петлю дислокации и новую дислокацию DD’, аналогичную исходной. Далее пол действием напряжений процесс начинается снова, многократно повторяясь. Такие источники увеличивают количество дислокаций в десятки и сотни раз.

Скользящие дислокации всегда тормозятся, часто вплоть до полной остановки под действием различных факторов:

— пересечение с другими дислокациями;

— границы зерен и субзерен;

— границы между дисперсными частицами (разными фазами);

— торможение в твердых растворах;

— несоответствие модулей упругости растворителя и растворенного элемента.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник