Дефекты в кристаллах, или структурные дефекты, – это нарушения периодичности пространственного расположения атомов (ионов) в кристаллическом теле. Различают четыре типа дефектов:
· точечные, имеющие малые, не превышающие нескольких атомных диаметров размеры в трёх измерениях;

· линейные, имеющие малые размеры в двух измерениях и значительную протяжённость в третьем;

· поверхностные, протяжённые в двух направлениях и малые в третьем;

· объёмные, имеющие значительные размеры во всех трех направлениях.

К точечным дефектам относят:
–     вакансии – узлы в кристаллической решётке, свободные от атомов;

–     межузельные атомы – атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решётки;

–     примесные атомы, которые могут находиться как в междоузлиях (атом внедрения), так и в узлах кристаллической решётки (атом замещения).

К точечным дефектам относятся также некоторые комбинации: бивакансии, комплексы и т. п. Появление вакансий связано с присутствием в кристалле атомов с кинетической энергией, значительно превышающей среднюю, свойственную данной температуре. При перемещении атома кристалла из нормального положения в узле в какое-либо из междоузлий возникает пара «вакансия – межузельный атом», которая называется дефектом Френкеля. Если же под действием тепловых флуктуаций атом из своего узла выходит на поверхность (он может даже испариться), образующийся дефект-вакансия называется дефектом Шотки (W. Schottky).

Место образовавшихся вакансий займут атомы, удалённые от поверхности, а вакансия будет перемещаться в глубь кристалла. Таким образом, источниками вакансий, получивших название тепловых, являются границы зёрен, трещины и другие пустоты. Схема образования вакансий представлена на рис. 3. Заштрихованные квадратики – атомы.

Рис. 3. Схема образования вакансий и их растворения в кристалле

Точечные дефекты, в отличие от других дефектов, являются термодинамически равновесными, т. е. каждой температуре кристалла соответствует определенная концентрация тепловых вакансий и межузельных атомов. Энергия образования межузельного атома значительно превышает энергию образования вакансии, так как межузельный атом вызывает большие искажения, чем вакансия.

Поэтому концентрация межузельных атомов по сравнению с концентрацией вакансий невелика. За счёт облучения высокоэнергетическими элементарными частицами, быстрого охлаждения с высокой температуры, пластической деформации можно достичь концентрации точечных дефектов гораздо выше равновесной. Точечные дефекты оказывают влияние на электрические, магнитные и другие свойства металлов и сплавов.

К наиболее важным видам линейных дефектов относятся дислокации (от лат. dis – раз + location – смещение, перемещение). Их простейшими видами являются краевая и винтовая дислокации.

Краевую дислокацию удобно представить следующим образом. Рассмотрим кристалл как толстую книгу, в которой атомные плоскости моделируются листами бумаги. Затем вложим еще один лист размером в половину страницы. Идеальный порядок – параллельность атомных плоскостей-листов на всём протяжении – нарушится, поскольку вложенная плоскость обрывается внутри книги – кристалла (в реальных кристаллах атомные плоскости часто обрываются). Так возникает краевая дислокация, осью или линией которой является край «лишней» полуплоскости, получившей название экстраплоскости. Далее представим себе плоскость, перпендикулярную листам бумаги и проходящую через край экстраплоскости. По обе стороны от этой плоскости, называемой плоскостью скольжения, между всеми атомами налажено взаимодействие – они как бы «вцепились» друг в друга,
а атом на краю экстраплоскости одинок: у него нет атома напротив. Описанная картина
с книгой представлена на рис. 4, где светлыми кружочками обозначены атомы, Р – вектор сдвига.

Рис. 4. Схема краевой дислокации

Одновременно на этом рисунке показано, что краевая дислокация может быть получена в результате неполного сдвига верхней части кристалла относительно нижней на один период кристаллической решётки. При этом направление сдвига перпендикулярно оси дислокации.

Видны: след «лишней» полуплоскости, проходящей через ось Y перпендикулярно плоскости рисунка, и след плоскости скольжения Х, проходящей также перпендикулярно плоскости рисунка.

Видно нарушение расположения атомов и нарушение параллельности атомных плоскостей. Затушёванная область, вытянутая вдоль оси дислокации, называется ядром дислокации.

На рис. 4 атомы ядра дислокации расположены по контуру затушёванного пятиугольника. В реальных кристаллах поперечные размеры области нерегулярного расположения атомов на линии дислокации составляют несколько межатомных расстояний. Понятно, что выше линии дислокации решётка сжата, а ниже – растянута. Если экстраплоскость расположена в верхней части кристалла, как показано на рис. 4, дислокацию называют положительной и обозначают знаком ; если в нижней (для чего достаточно перевернуть кристалл) – отрицательной и обозначают знаком . Указанное различие чисто условное и используется при анализе взаимодействия дислокаций. Дислокации противоположных знаков притягиваются, а одного – отталкиваются.

Винтовую дислокацию представить более сложно. Она может быть получена при сдвиге на период решётки одной части кристалла относительно другой вдоль некоторой полуплоскости (эта полуплоскость проходит через затушёванную часть кристалла на рис. 5).

Рис. 5. Схема винтовой дислокации

Край этой полуплоскости – прямая EF, точнее, та часть этой прямой, которая пронизывает кристалл, называется осью, или линией дислокации. Она отделяет ту часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от той части, где сдвиг еще не происходил. Следовательно, направление сдвига, порождающего винтовую дислокацию, параллельно её оси. При дальнейшем действии сил ось дислокации продолжит смещение к задней стенке кристалла до линии Е'F' и т. д.

Важно обратить внимание на то обстоятельство, что на рис. 5 атомы представлены в виде деформированных кубов. На этом акцентируется внимание не во всех изданиях, и некоторые читатели полагают, что атомы расположены в местах пересечения линий. Вследствие этого возникает недопонимание. Теперь, если текущее положение линии дислокации будем обходить вокруг, начиная с левой, более «высокой» части кристалла, т. е. двигаться по часовой стрелке, то опустимся по винтовой «лестнице» вниз, переходя с одного «кристаллического этажа» на другой. Получается, что атомные плоскости, закручиваясь вокруг линии дислокации, смыкаются в одну винтовую поверхность. Отсюда и название дислокации. Вокруг неё формируются геометрические и энергетические искажения в кристаллической решётке. Дислокацию, образованную вращением по часовой стрелке, называют правой, а в противоположном направлении – левой.

На рис. 6 схематически показано расположение атомов в двух атомных плоскостях, расположенных по одну и другую стороны от плоскости скольжения. Плоскость рисунка совпадает с плоскостью скольжения. Белыми кружками показаны атомы атомной плоскости, расположенной непосредственно выше плоскости скольжения, а чёрными кружками – атомы плоскости, расположенной ниже плоскости скольжения.

Рис. 6. Расположение атомов вокруг винтовой дислокации АБ. Плоскость рисунка совпадает с плоскостью скольжения. Белыми кружками показаны атомы атомной плоскости, расположенной непосредственно выше плоскости скольжения, а чёрными кружками - атомы плоскости, расположенной ниже плоскости скольжения.

Между рассмотренными предельными случаями – краевой и винтовой дислокациями – возможны любые промежуточные, где линия дислокации не обязательно прямая, а может представлять произвольную плоскую или пространственную кривую.

Дислокации образуются при срастании зёрен и блоков в процессе кристаллизации, при фазовых превращениях, а также в процессе пластической деформации.

Внутри кристалла линии дислокации не могут обрываться и должны либо выходить на поверхность кристалла (кристаллита), либо разветвляться, образуя сетку дислокаций, либо быть замкнутыми, образуя так называемые дислокационные петли.

Одной из важнейших характеристик дислокаций является их плотность – суммарная длина всех линий дислокаций в единице объёма материала (размерность см/см³ или см^-2). Плотность дислокаций определяется экспериментально, как среднее число линий дислокаций, пересекающих единичную площадку. В наиболее совершенных монокристаллах плотность дислокаций составляет 10²–10³ см^-2, для отожжённых металлов – 10⁶–10⁸ см^-2,
а для холоднодеформированных она увеличивается до 10¹¹–10¹² см^-2, что равносильно суммарной длине дислокаций, заключенных в 1 см³, примерно в один миллион километров. Это больше, чем расстояние от Земли до Луны и обратно!

Прочность металла от плотности дислокаций зависит следующим образом: для наиболее совершенных монокристаллов (бездефектные усы) она близка к теоретической, для отожжённых металлов снижается, а при дальнейшем увеличении плотности дефектов – несколько возрастает.

Степень искажения кристаллической решётки вокруг дислокации оценивается вектором Бюргерса – основной характеристикой дислокационной линии. Для его определения вокруг линии дислокации строится контур (контур Бюргерса). Такой контур в кристалле
с краевой дислокацией представлен на рис. 7. Откладывая из точки 1 отрезки, равные, например, трём межатомным расстояниям (протяжённость сторон контура выбирается произвольно) и, обходя дислокацию, как показано на данном рисунке, приходим в точку 1'. Контур оказывается разомкнутым. Чтобы замкнуть контур, его необходимо дополнить вектором, замыкающим разрыв. Этот вектор называют вектором Бюргерса и обозначают b. Понятно, что в бездефектном кристалле контур был бы замкнутым.

Рис. 7. Контур Бюргерса 1 - 2 - 3 - 4 - 1' вокруг краевой дислокации, замыкающейся вектором Бюргерса b.

Определение вектора Бюргерса винтовой дислокации производят аналогично. Вектор Бюргерса однозначно характеризует дислокацию. Он позволяет рассчитать ряд параметров, например, силы, требуемые для продвижения дислокации.

У винтовой дислокации вектор Бюргерса параллелен к её линии, у краевой – перпендикулярен.

Дислокации оказывают влияние не только на прочностные свойства. Они увеличивают электросопротивление, скорость диффузии.

К поверхностным дефектам относятся границы зёрен, субзёрен, двойниковые границы, дефекты упаковки (нарушения в чередовании плотноупакованных плоскостей; чаще всего встречаются в плотноупакованных структурах – ГЦК и ГПУ). Границы представляют переходную зону между кристаллитами или субзёрнами с различной ориентацией кристаллографических плоскостей (рис. 8). Ориентация зёрен показана стрелками.

Рис. 8. Схема, демонстрирующая переходную зону между зёрнами с различной кристаллографической ориентацией

Переходная область между кристаллитами составляет 5–10 межатомных расстояний. Нарушения на границах субзёрен меньше. Поверхностные дефекты, особенно границы зёрен, оказывают существенное влияние на свойства материалов. Например, предел текучести ?_т зависит от размера зерна d следующим образом:

?_т = ?_o + kd^-0,5,

где ?_o и k – постоянные для данного материала, т. е. чем мельче зерно, тем выше предел текучести. Увеличивается вязкость и снижается опасность хрупкого разрушения. Размер субзёрен оказывает аналогичное, но меньшее влияние. По сравнению с диффузией сквозь кристалл, диффузия по границам зёрен протекает во много раз быстрее, что имеет большое практическое значение.

К объёмным дефектам относятся скопления точечных дефектов типа пор, включения посторонних фаз, смещения атомов из-за разной ориентации граничащих объёмов кристалла.