Учебно-методический комплекс дисциплины «Механизм образования радиационных дефектов в твердых телах» для специальности 6М011000 – «Физика» (стр. 4 )

Рентгеновская плотность материала.

Пример.

Медь, гранецентрированная решётка,  

1. Гранецентрированной решётке соответствуют четыре атома.

2. Количество элементарных ячеек в молекуле

ячеек.

3. Объём одной ячейки

4. Мольный объём

5. (г/см3).

Лекция 11 НЕСОВЕРШЕНСТВА В КРИСТАЛЛАХ

Несовершенства в кристаллах называются дефектами. Они подразделяются:

– точечные;

– линейные;

– поверхностные;

– электронные.

Точечные дефекты – нарушения решётки в изолированных друг от друга точках решётки. Размер точечных дефектов приблизительно равен диаметру атома. К точечным дефектам относят вакансии, атомы внедрения, примеси. Линейные дефекты называются дислокациями. Они имеют протяжённость  в одном направлении.

Поверхностные дефекты разделяются на наружные и внутренние. Наружные обусловлены тем, что поверхность твёрдого тела граничит с другой фазой, внутренние – появляются в тех местах, где происходит переход от одной пространственной ориентации к другой. Энергия образования поверхностных дефектов 1Дж/м2.

Лекция 12. ТЕРМОДИНАМИКА ОБРАЗОВАНИЯ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ

N – количество атомов в кристалле;

n – количество дефектов.

Количество способов, которыми можно удалить n атомов из узлов кристаллической решётки, будет определяться такой величиной:

Если E – энергия образования дефекта, то энергия кристалла изменится на величину nE.

Изменение энтропии (мера беспорядка).

где – изменение свободной энергии.

Система устойчива,

Согласно формуле Стирлинга,

– бездефектный кристалл т/д возможен лишь при абсолютном нуле. При всех других температурах реальное твёрдое тело будет иметь дефекты: в реальном кристалле возникают и исчезают вакансии.

В основном атомы обладают энергией, значительно меньшей энергии образования вакансий. Однако благодаря флуктуации энергии (случайного отклонения от равновесного распределения) в системе находятся атомы, способные образовать вакансии:

Количество вакансий очень сильно зависит от температуры. Для алюминия:

при T = 300 K – на 1012 атомов 1 вакансия;

при Тплавл = 660 – на 1000 атомов 1 вакансия.

Атомы внедрения – избыточные атомы, проникающие в решётку, но не занимающие её узлов. Сторонние атомы внедрения называются примесями.

дефект по Шоттки

дефект по Френкелю (вакансия + атом внедрения)

Энергия образования атомов внедрения 3-5 эВ.

где величина z – небольшое целое число, характеризующее число междоузлий возле атомов.

Внедрённая примесь возникает в результате проникновения посторонних атомов в междоузлие кристаллической решётки. Проникновение примесей особенно характерно при небольших размерах атомов, напр., O2, H2.

Образование точечных дефектов.

1. Нагрев до высокой температуры и резкое охлаждение – закалка.

2. Механическая деформация.

3. Облучение.

Лекция 13 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ

1. Точечные дефекты способны самоуничтожаться, то есть аннигилировать (атом внедрения + вакансия).

2. Вакансии могут взаимодействовать между собой с образованием бивакансий, тривакансий и т. д. Поскольку концентрация вакансий мала, к их взаимодействию применим закон действующих масс.

Дальнейшее объединение вакансий даёт кластеры вплоть до макрообразований, таких как поры и каверны. Междоузельные атомы (атомы внедрения) при взаимодействии образуют сгущения, называемые краудион.

ДИСЛОКАЦИИ

Структурный дефект, возникающий под действием напряжения сдвига и приводящий к образованию лишней полуплоскости относительно плоскости скольжения, называется дислокацией. Контуры ABCD и ABCDE называют контурами Бюргерса, при наличии дислокации контур замыкается вектором (вектор Бюргерса). В неискажённой решётке его величина равна нулю. Вектор Бюргерса определяет энергию дислокации и силу, необходимую для сдвига дислокации

Канал диаметром 5 - 10 A вдоль оси дислокации сосредотачивает в себе практически всю энергию дислокации, в нём наблюдаются максимальные искажения кристаллической решётки. При повторном наложении напряжения сдвига дислокация приходит в движение, и её положение изменяется на одно атомное расстояние.

Дислокации подразделяются:

– на краевые (см. рис. выше);

– винтовые.

Для краевой дислокации выполняется соотношение

где – вектор сдвига.

– винтовая дислокация.

Винтовые дислокации бывают:

– правовращающие;

– левовращающие.

Протяжённость дислокаций в твёрдых телах очень велика. В обожжённых материалах длина дислокаций составляет В необожженных и деформированных материалах длина дислокаций 1015- 1016 м/м3. По этой причине в дислокациях сосредоточена практически вся энергия пластической деформации материала.

СВОЙСТВА ДИСЛОКАЦИЙ

1. Дислокации способны под действием напряжений перемещаться.

2. Дислокации способны огибать препятствия.

3. Дислокации способны генерироваться.

4. Дислокации способны взаимодействовать друг с другом.

1. Движение и преодоление препятствий.

В качестве препятствий в кристаллах выступают атомные внедрения и примесные атомы. Движение дислокации через участки кристалла с препятствиями связано с её удлинением и резким искажением кристаллической решётки. Это требует дополнительных затрат энергии, поэтому движение дислокаций по чистым участкам значительно легче, чем по участкам, содержащим дефекты; так как перемещение дислокаций по кристаллу приводит к смещению одной части кристалла относительно другой (пластическая деформация), то введение в вещество примесей или создание дефектов приводит к упрочнению материала:

1) упрочнение достигается введением примесей – легирование;

2) создание границ зёрен – закалка;

3) холодное деформирование материалов – наклёп.

2. Генерирование дислокаций (источник Франка-Рида).

3. Взаимодействие дислокаций.

Под действием напряжения сдвига положительные и отрицательные дислокации будут перемещаться в разных направлениях. Если их оси находятся в одной плоскости скольжения, то при встрече они образуют нормальную атомную плоскость – при этом произойдёт самоуничтожение (аннигиляция) дислокаций. Если оси дислокаций находятся в разных плоскостях, то образуется сетка дислокаций.