Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

Для переноса заряда в соответствии с таким меха- 93 низмом требуется преодолеть значительно меньшие потенциальные барьеры, чем при передаче электрона от иона к иону. Положительно заряженный междоузельный ион 4 (см. рис. 2.3) также перемешается (перескакивает) преимущественно в направлении внешнего электрического поля, а отрицательно заряженный ион — в противоположном направлении. Влияние точечных дефектов на окраску кристаллов. Примесные атомы изменяют окраску кристаллов, например: ионы хрома в кристаллах А120з обеспечивают их красную окраску (кристаллы рубина), ионы титана в кристаллах А1,0, — их голубую окраску (кристаллы сапфира).

Окраску кристаллов связывают с появлением новых энергетических уровней, за счет которых происходит дополнительное поглощение света и затем переизлучение света на других частотах. Подробно структуру примесных уровней в рубине рассматривают в курсе квантовой механики при изучении принципов работы рубинового лазера. Методы изучения точечных дефектов. Концентрацию вакансий в кристалле можно оценить, если сопоставить результаты точного определения параметра решетки рентгеновским методом и точного определения плотности вещества как отношения его массы к объему. Метод основан на том, что вакансии крайне мало изменяют параметр решетки кристалла, но уменьшают его плотность.

Таким же методом, но с меньшей точностью, можно найти концентрацию междоузельных атомов, поскольку междоузельные атомы несколько увеличивают плотность кристалла и слабо изменяют его параметр решетки. Если в кристалле присутствуют и вакансии, и междоузельные атомы, то можно лишь оценить разность концентраций вакансий и междоузельных атомов в кристалле. Плотность дефектов по Френкелю этим методом точно определить не удается, Для изучения точечных дефектов эффективно используют различные резонансные спектроскопические методы исследования: парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, оптическую и ядерную спектроскопию.

Известно (см. эффект Зеемана, теорию парамагнитного резонанса в курсах атомной физики), что спектр поглощения ядра или атома зависит от величины и направления магнитного поля и от параметров электрического поля, в которых находится данный атом или ядро. Появление точечного дефекта изменяет величины и характер распределения электрического и магнитного полей, воздействующих на соседние с дефектом атомы и их ядра.

В результате энергетические уровни этих 94 атомов и ядер расщепляются иначе, чем в идеальных кристаллах. Поэтому спектры поглощения излучений такими кристаллами будут зависеть от вида и концентрации дефектов. С помощью резонансных методов по виду спектра поглощения удается определить параметры электромагнитных полей вблизи дефектов, а следовательно, и получить сведения о типе и количестве дефектов. Рассмотренные выше методы измерения электрического сопротивления и диффузии, а также коэффициента поглощения различных электромагнитных излучений позволяют изучать точечные дефекты в кристаллах.

Задача 2.1. Вычислите отношение числа вакансий к числу атомов при температуре 300 и 1200 К, если энергия образования вакансии равна 1 эВ. Решение. Используя формулу (2.1), получаем Р= — '=ехр — —" При Т= 300 и 1200 К имеем Р(300 К) =10, Р(1200 К) =1О Таким образом, отношение числа вакансий к числу атомов очень мало при Т= 300 К и значительно увеличивается при Т = 1200 К.

Задача 2.2. Оцените глубину проникновения атомов углерода в поверхностный слой ОЦК железа после выдержки его при Т = 300 и 1500 К в течение 3 ч. Считать, что среда, содержащая углерод, вплотную прилегает к поверхности ОЦК железа. Коэффициент диффузии вычислите по данным табл. 2.1. Параметр решетки ОЦК железа равен 0,288 нм. Отметим, что такой способ насыщения поверхности углеродом, дополняемый последующей закалкой, используют для получения детали с твердой поверхностью и мягкой сердцевиной.

Рещение. Для оценки глубины проникновения атомов углерода в ОЦК железо воспользуемся формулой (2.13), а входящий в нее коэффициент диффузии В рассчитаем по формуле (2.12): а'Ф а',(г ( Еа ) (х 1= — = — = Р21 = 21Ре ехр ~ — '~. 3 3 ' (. 1Т~ Глубина проникновения составляет десятые доли миллиметра при Т = 1500 К и пренебрежимо мала при Т = 300 К. 95 2.2. Линейные дефекты — дислокации Изучение линейных дефектов кристаллической решетки, называемых дислокациями, связано с их сильным влиянием на прочность и пластичность практически всех конструкционных материалов. Если не учитывать этот тип дефектов, то даже приближенно не удается объяснить наблюдаемые экспериментально механические свойства моно- и полнкристаллов. Типы дислокаций.

Дислокации принято подразделять на краевые и винтовые, хотя, строго говоря, наблюдаемые дислокации только в редких случаях можно отнести к одному нз этих модельных типов дислокаций, поскольку обычно они содержат элементы и того, и другого типа. Для простоты рассмотрим примитивную кубическую кристаллическую решетку, однако полученные в данном параграфе результаты с незначительными изменениями справедливы и для решеток других типов. Краевая дислокации.

Такая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное для случая примитивной кубической кристаллической решетки на рис 2.8. На рисунке «лишняя» полуплоскость помещена между двумя другими соседними плоскостями типа (100(. Атомы этих плоскостей восстановили связи друг с другом, при этом вблизи края «лишней» полу- Рнс. 2.8. Схема расположения атомов вблизи краевой дислокации 96 !2 3 ! 2 3 !23 723 Рис. 2.9. Стадии зарождения и перемещения краевой дислокации прн сдвиговой деформации кристалла: — — — — — след плоскости скольжения плоскости возникли очень сильные деформации.

Линию, проходящую через край «лишней» полуплоскости, называют линией краевой дислокации, а иногда — краевой дислокацией. Вдоль этой линии наблюдаются наиболее сильные искажения кристаллической решетки. Поэтому дислокацию относят к линейным дефектам. Область сильных искажений вблизи дислокации распространяется на 2 — 3 периода кристаллической решетки. На ббльших расстояниях искажения малы и их можно описать в рамках теории упругости. Краевая дислокация чаще всего появляется при деформации кристаллической решетки твердого тела по схеме, изображенной на рнс. 2.9.

Прежде всего зти дислокации возникают при деформациях сдвига в наиболее густо занятых атомами плоскостях, которые называют плоскостями скольжения. Рассмотрим кристалл с примитивной кубической решеткой и его плоскость скольжения типа (100). Отметим, что для ОЦК решетки (см. рис. 1.1) плоскостями скольжения являются плоскости типа (11О), (112) и (123), а для ГЦК решетки — плоскости типа (111) (см. рис.

1.8). Если на этот кристалл воздействовать силой Р (см. рис. 2.9, а), то плоскость ! из пакета кристаллографических плоскостей (100) в месте, отмеченном пунктиром„может разорваться (см. рис. 2.9, б), после чего верхняя полуплоскость ! присоединится к нижней полуплоскости 2 (см. рис. 2.9, в), а верхняя полуплоскость 2 станет 4 — 2500 97 «лишней». Если продолжать воздействовать на кристалл, то разорвется следующая плоскость, после чего верхняя полуплоскость 2 присоединится к нижней полуплоскости 3 (см.

рис. 2.9, е) и т.д. Таким образом, в кристалле появится «лишняя» полуплоскость (100), которая под действием силы В сможет перемещаться вдоль плоскости скольжения за счет разрыва и соединения соседних полу- плоскостей. Разрыв новой плоскости происходит по линии дислокации, поскольку именно на ней наблюдаются наибольшие искажения кристаллической решетки (см. рис. 2.8). Винтовая дислокация. Винтовая дислокация представляет собой особое расположение атомов, изображенное на рис. 2.!О, в случае примитивной кубической кристаллической решетки. На этом рисунке атомы, расположенные слева от кристаллографической полуплоскости А, остались на месте, а атомы справа от нее сместились вниз на одно межплоскостное расстояние. При этом вблизи линии В возникают очень сильные деформации.

Линию В, проходящую через границу полуплоскости А, также называют линией винтовой дислокации, а иногда — винтовой дислокацией. По горизонтальной, теперь уже деформированной, плоскости типа (001) некоторая точка этой плоскости может при повороте вокруг линии В подняться на один период кристаллической решетки, а совершив несколько оборотов вокруг линии В, она может подняться на несколько периодов решетки. Подъем похож на движение по винтовой автодороге, отсюда и название «винтовая дислокация».

Отметим, что в случае винтовой дислокации все плоскости (001) перестали быть обособленными, т.е. слились в одну сложную винтовую поверхность с осью В. Изображенная на рис. 2.!О горизонтальная поверхность обеспечивает подъем при движении против хода часовой стрелки вокруг линии В (если смотреть сверху).

Характеристики

Список файлов книги