Дефекти в металах і сплавах - курсовая работа

- 13 -

Зміст:

Втуп

1. Дефекти в кристалах та їх класифікація

2. Коливання кристалічної решітки

3. Виникнення дефектів. Кристалізація

4. Точкові дефекти

Вакансії

Центри забарвлення

Іонні кристали

5. Лінійні дефекти

5.1 Дислокації

6. Двовимірні дефекти

Двійкування

Висновки

Список використаної літератури

Вступ

Назва моєї курсової роботи «дефекти в металах і сплавах».

Метали - кристалічні тіла, які характеризуються певними комплексними властивостями (пластичність, електропровідність, ковкість, теплопровідність та позитивний температурний коефіцієнт). Вивчаючи метали, важко не згадати про елементарну кристалічну решітку, яка є найменшим комплексом атомів при багаторазовому повторенні його в просторі можна повністю відновити будову кристалічного тіла.

А дефекти в кристалах є порушення кристалічної структури в реальних монокристалах. Дефекти металів погіршують їх фізико-механічні властивості.

Висока якість металу і виробів з нього, може забезпечуватися двома шляхами: вдосконаленням технології з метою виключення можливості появи дефектів і вдосконаленням методів контролю якості металу з метою виявлення дефектів і відбракування дефектних заготовок, напівфабрикатів і виробів.

Отже, розкриття даної теми є не лише актуальним, але й сучасним, оскільки застосування металів і сплавів є досить поширеним у різних галузях народного господарства. Саме від якості матеріалів залежить і ефективність виробництва.

У розкритті даної теми мені допомогло використання великої кількості літературних джерел.

1. Дефекти в кристалах та їх класифікація

Дефекти в кристалах (від лати. defectus -- недолік|нестача|, вада|хиба|), порушення періодичності кристалічної структури в реальних монокристалах. У структурах кристалів, що ідеалізуються, атоми займають|позичати,посідати| строго|суворо| певні положення|становище|, утворюючи правильні тривимірні|трьохмірний| грати (кристалічні решітки). У реальних кристалах (природних і штучно вирощених) спостерігаються зазвичай|звично| різні відступи від правильного розташування атомів або іонів|іон| (або їх груп). Такі порушення можуть бути або атомарного масштабу, або макроскопічних розмірів, помітні навіть неозброєним оком.

Дефекти металів, недосконалість будови|споруда| металів і сплавів. Дефекти металів погіршують їх фізико-механічні властивості (наприклад, електропровідність, магнітну проникність, міцність, щільність, пластичність). Розрізняють дефекти металів тонкої структури (атомарного масштабу), наприклад, вакансії і ін., грубіші -- субмікроскопічні тріщини, що утворюються по межах|кордон| блоків кристала і на його поверхні. Ще грубіші дефекти металів -- мікро- і макроскопічні дефекти, що є порушеннями суцільності або однорідності, утворюються в металі внаслідок|внаслідок| недосконалості технології і низької технологічності багатокомпонентних сплавів, що вимагають особливо точного дотримання режимів на кожному етапі їх виготовлення і обробки.

 Дефекти, що зустрічаються в металевих виробах і напівфабрикатах, розрізняються за розмірами і розташуванням, а також за своєю природою і походженням. Вони утворюються при плавленні металу і отриманні|здобуття| виливки|виливок| (неметалічні і шлакові вкраплення|приєднання|, усадочні раковини, рихлість, газова пористість, плівки| і  т.д.), при обробці тиском|тиснення| |, в результаті|унаслідок,внаслідок| термічної, хіміко-термічної, електрохімічної і механічної обробки (тріщини, |зневуглецювання і  т.д.), в процесі зєднання|сполучення,сполука| металів -- при зварці|зварювання|, паянні, клепанні|склепуванні| і  т.д. (непроварення, непропай|, тріщини, корозія і  т.д.). Крім того, дефекти в напівфабрикатах і готових виробах можуть виникати при їх зберіганні, транспортуванні і експлуатації (корозійні дефекти|ураження| і ін.).

За характером дефекти можуть бути: місцевими (різні порушення щільності| -- пори, раковини, тріщини, розшарування, флокени|,| та ін.); розподіленими в обмежених зонах (ликваційні скупчення, зони неповного гартування|гартування|, зони корозійного ураження, місцеве наклепування); розподіленими за всім обсягом виробу або по його поверхні (невідповідність хімічного складу, структури, якості механічної обробки).

  Місцеві дефекти, локалізовані в обмеженому обємі|обсяг|, можуть бути точковими, лінійними, площинними і обємними|обсяг|. По розташуванню вони розділяються на зовнішні (поверхневі|поверховий,зверхній| і підповерхневі|поверховий,зверхній|) і внутрішні (глибинні).

  Дефектами в прикладному, технічному розумінні слід рахувати такі відхилення від нормальної, передбаченої стандартами якості, які погіршують робочі характеристики металу або виробу і призводять до зниження сортності або бракування| виробів. Проте|однак| не кожний|усякий| дефект металу вважається|зявлятися,являтися| дефектом виробу; відхилення від нормальної якості металу, які не істотні|суттєвий| для роботи даного виробу, не повинні вважатися|лічитися| для нього дефектами. Відхилення від нормальної якості, що є|зявлятися,являтися| дефектами для виробів, що працюють в одних умовах (наприклад, при втомному навантаженні), можуть не мати значення при інших умовах роботи (наприклад, при статичному вантаженні). Якість металу і раціонально виготовленого з|із| нього виробу може бути підвищена при повному|цілковитий| виключенні|виняток| найбільш небезпечних дефектів (тріщин, раковин, розшарувань, флокенів| і ін.) і зниженні до деякого мінімуму інших дефектів, що являють|уявляти| меншу небезпеку в конкретних умовах експлуатації даного виробу. Висока якість металу і виробів, що виготовляються з|із| нього, може забезпечуватися двома шляхами: вдосконаленням технології з метою виключення|виняток| можливості|спроможність| появи дефектів і вдосконаленням методів контролю якості металу з метою виявлення дефектів і відбракування| дефектних заготовок, напівфабрикатів і виробів. Контроль якості металу здійснюється|виробляється,справляється| методами хімічного, спектрального, рентгеноструктурного| і металографічного аналізу, що дозволяють виявити відхилення від заданого складу і структури. Ці методи, як правило, вимагають зняття|взяття| спеціальних проб металу, які приводять|призводити,наводити| до пошкодження|ушкодження| або руйнування контрольованих виробів і тому використовуються виключно|лише| для вибіркового контролю їх якості. Надійніший контроль дефектів металу, що є|зявлятися,являтися| порушенням його суцільності| або однорідності, здійснюється|виробляється,справляється| за допомогою фізичних методів контролю, який не руйнує заснованих на дослідженні змін фізичних характеристик металу. При остаточному рішенні питання про відповідність якості заготовки|заготовка,заготівля| або виробу заданому необхідно враховувати не лише|не лише,не те що| кількість, розміри, розташування і характер|вдача| виявлених дефектів, але і конкретні умови вантаження виробу і окремих його зон в експлуатації.

Крім статичних дефектів, існують відхилення від ідеальних решіток іншого роду, повязані з тепловими коливаннями частинок|частка,часточка|, складових решіток (динамічні дефекти).

2. Коливання кристалічної решітки

Коливання кристалічної решітки, один з основних видів внутрішніх рухів твердого тіла, при якому складові його частини|частка,часточка| (атоми або іони|іон|) коливаються|вагатися| біля положень|становище| рівноваги -- вузлів кристалічної решітки. Коливання кристалічної решітки, наприклад, у вигляді стоячих або таких, що біжать звукових хвиль виникають щоразу, коли на кристал діє зовнішня сила, що змінюється з часом|згодом|. Проте|однак|  і у відсутності зовнішніх дій в кристалі, що перебуває|перебувати| в тепловій рівновазі з|із| навколишнім середовищем, встановлюється стаціонарний стан коливань, подібно до того як в газі встановлюється стаціонарний розподіл атомів або молекул за швидкістю їх поступальної ходи.

Характер|вдача| цих коливань залежить від симетрії кристала, числа його атомів, типу, а також від виду|вид| і концентрації дефектів у кристалах. Зміщення|зміщення| у атомів в процесі коливання тим більші, чим вища температура, але|та| вони значно менші постійних решіток аж до температури плавлення, коли тверде тіло перетворюється на рідину. Сили, які прагнуть утримати атоми в положенні|становище| рівноваги, пропорційні|пропорціональний| їх відносному зміщенню, таким чином ніби|зміщення| повязані один з одним пружинками (рис. 1). Представлення кристала у вигляді сукупності частинок|частка,часточка|, звязаних ідеально пружними силами, називається гармонійним наближенням.

У кристалі, що складається з N елементарних комірок|чарунка,вічко,комірка| по n атомів в кожній, існує 3nN -- 6 типів простих коливань, які називають нормальними (або власними) коливаннями, або модами. Їх число рівне числу мір вільності|в,біля| сукупності частинок|частка,часточка| кристала без урахування трьох ступеней вільності, що відповідають поступальному, і три -- обертальному руху кристала як цілого. Числом 6 можна нехтувати, оскільки|тому що| 3nN -- величина ~ 1022--1023 для 1 кристала.

  В процесі нормального коливання всі частинки|частка,часточка| кристала коливаються|вагатися| біля своїх положень|становище| рівноваги з|із| однією і тією ж постійною частотою згідно із законом подібно до простого гармонійного осцилятора. У кристалі одночасно можуть бути присутніми всі можливі нормальні коливання, причому кожне протікає так, ніби інші зовсім відсутні. Будь-який рух атомів в кристалі, що не порушує його мікроструктури, може бути представлений|уявлений| у вигляді суперпозиції нормальних коливань кристала.

Кожну стоячу хвилю нормального коливання можна, у свою чергу|своєю чергою|, представити|уявити| у вигляді двох пружних плоских хвиль, що біжать, розповсюджуючись|поширюватися| в протилежних напрямах|направлення| (нормальні хвилі). Плоска хвиля, що біжить, крім частоти характеризується хвилевим вектором , який визначає напрям|направлення| руху фронту хвилі і довжину хвилі , а також поляризацією, яка визначає характер|вдача| індивідуального руху частинок|частка,часточка|. У загальному|спільний| випадку має місце еліптична поляризація, коли кожен атом описує еліпс біля свого положення|становище| рівноваги (рис. 2), при цьому нормаль до площини|плоскість| еліпса не співпадає|збігатися| по напряму|направлення| з |із|.

Еліптичні орбіти однакові для ідентичних атомів, що займають|позичати,посідати| еквівалентні положення|становище| в решітці. У тих кристалах, де кожен вузол є|зявлятися,являтися| центром симетрії, всі нормальні хвилі плоскополяризовані|: атоми в будь-якому нормальному коливанні здійснюють|скоювати,чинити| зворотно-поступальні рухи біля своїх положень|становище| рівноваги.

  Дисперсія нормальних хвиль. При кожному значенні існує 3n типів нормальних хвиль з|із| різною поляризацією. Вони нумеруються цілочисельною змінною і називаються гілками нормальних коливань. Для хвиль даного типу величини і не можуть бути довільними, а звязані між собою певним співвідношенням , називається законом дисперсії. Наприклад, якщо представити|уявити| кристал у вигляді сукупності однакових атомів маси т, розташованих|схильний| на рівних відстанях а один від одного і звязаних попарно пружинами з|із| жорсткістю так, що вони утворюють нескінченний|безконечний| ланцюжок і можуть зміщуватися тільки|лише| уздовж|вздовж,уподовж| її осі (рис. 3, а), то елементарна комірка|чарунка,вічко,комірка| складається з однієї частинки|частка,часточка| і існує одна гілка частоти нормальних коливань із|із| законом дисперсії:

  .

У|в,біля| двоатомного лінійного ланцюжка (рис. 3, б) комірка містить|утримувати| 2 частинки|частка,часточка| з|із| масами т і М і є|наявний| 2 галузь з|із| складнішим законом дисперсії (рис. 4):

_,, (M > m).

Пружні хвилі в кристалі завжди володіють дисперсією. Зокрема, їх фазова швидкість, як правило, відрізняється від групової, з|із| якою по кристалу переноситься енергія коливань. Тоді як частота пружних хвиль, що розповсюджуються|поширюватися| в безперервному середовищі|середа|, необмежено зростає із|із| зростанням|зріст|, в кристалі завдяки періодичному розташуванню атомів і кінцевій|скінченний| величині сил, що звязують їх, існує деяка максимальна частота коливань (зазвичай|звично| ~10¹³ гц). Власні частоти можуть не суцільно|суспіль| заповнювати інтервал від до, в нім можуть бути порожні|пустий| ділянки (заборонені зони), що розділяють дві наступні|слідуючий| один за одним галузь. Забороненої зони між сусідніми гілками немає, якщо гілки перекриваються. Коливання, відповідні забороненим зонам і з|із| частотою , не можуть поширюватися в кристалі, вони швидко затухають.

  Вплив коливань кристалічної решітки на властивості кристалів. Атоми осцилюють біля положення|становище| рівноваги тим інтенсивніше, чим вище температура кристала. Коли амплітуда коливань перевищує деяке критичне значення, настає|наставати| плавлення і кристалічна структура руйнується. З|із| пониженням температури амплітуда зменшується і стає мінімальною при Т = 0 К. Повна зупинка атомів з|із| перетворенням їх енергії на нуль, через закони, неможлива, і вони при Т = 0 До здійснюють|скоювати,чинити| «нульові» коливання. Оскільки|тому що| енергія «нульових» коливань зазвичай|звично| недостатня, щоб тверде тіло розплавилося, то із зниженням|із| температури всі рідини рано чи пізно тверднуть. Єдиним виключенням|виняток| є|зявлятися,являтися| гелій, який залишається рідким аж до температури 0 К і твердне лише під тиском|тиснення|.

  Кількісною характеристикою здатності|здібність| кристала запасати тепло у вигляді енергії коливань служить гратчаста теплоємність. Будучи віднесеною до одного атома, вона виявляється|опинятися| приблизно рівною ( -- стала Больцмана) при високих температурах (закон Дюлонга і Пті) і пропорційною|пропорціональний| , коли Т наближається до 0 К.

  У металах крім атомів або іонів|іон|, є|наявний| також вільні електрони, які у присутності електричного поля створюють електричний струм|тік|. Закони їх руху такі, що вони безперешкодно проходять|минати,спливати| крізь ідеальний кристал з|із| іонів|іон|, що знаходяться|перебувати| в стані «нульових» коливань. Тому опір електричному струму|тік| при Т =0 К виникає лише тому, оскільки в кристалах завжди є|наявний| дефекти, які розсіюють електрони. Проте|однак| при температурах Т > 0 К коливання хаотично порушують ідеальну періодичність решітки і створюють додатковий -- гратчастий, або фононний, електроопір. Стикаючись з|із| осцилюючими атомами, електрони передають кристалічному остову|кістяк| частину|частка| енергії своєї направленої|спрямований| поступальної ходи, яка виділяється у вигляді джоулевої теплоти.

  Ангармонізм. Насправді сили, які повертають не строго|суворо| пропорційні|пропорціональний| зсувам|зміщення| атомів з|із| положення|становище| рівноваги і коливання кристала не є|зявлятися,являтися| строго|суворо| гармонійними (ангармонізм). Нелінійність міжатомних| сил мала, оскільки малі амплітуди коливань. Проте|однак| завдяки їй окремі нормальні коливання не є|зявлятися,являтися| незалежними, а виявляються|опинятися| повязаними один з одним і між ними можливий резонанс, як в системі звязаних маятників.

  В процесі встановлення термодинамічної рівноваги в кристалах ангармонізм грає ту ж роль, що і зіткнення|сутичка| частинок|частка,часточка| в газі. Він, зокрема, пояснює теплове розширення кристалів, відхилення від закону Дюлонга і Пті закону в області високих температур, а також відмінність|відзнака| одна від одної ізотермічних і адіабатичних пружних сталих твердого тіла і їх залежність від температури і тиску|тиснення|.

  При нерівномірному нагріванні твердого тіла в ньому виникають потоки тепла. У металах велика частина|частка| його переноситься електронами, а у діелектриках -- нормальними хвилями (фононами). Тому у відсутності ангармонізму тепловий потік поширювався б із швидкістю нормальних хвиль, тобто|цебто| приблизно із швидкістю звуку. Завдяки ангармонізму хвилі в тепловому потоці обмінюються енергією і інтерферують одна з|із| одною. В процесі такої інтерференції відбувається|походити| втрата сумарного імпульсу теплового потоку. В результаті виникає теплоопір, а теплова енергія переноситься з|із| дифузійною швидкістю, набагато меншою швидкості поширенні пружної енергії, наприклад звукової хвилі. Ангармонізм є|зявлятися,являтися| також однією з причин затухання в кристалах.

  Локальні і квазілокальні коливання. На характер|вдача| коливань кристалічної решітки істотно|суттєво| впливають дефекти кристалічної решітки. Жорсткість міжатомних звязків і маси частинок|частка,часточка| в області дефекту відрізняються від таких для ідеального кристала, називаються еталонним або матрицею. В результаті|унаслідок,внаслідок| цього нормальні хвилі не є|зявлятися,являтися| плоскими. Наприклад, якщо дефект -- це домішковий атом маси , повязаний з сусідами пружинами жорсткості , то може трапитися, що його власна частота коливань   потрапить|попаде| в заборонену область частот матриці. У такому коливанні бере активну участь лише домішковий атом, тому воно і називається локальним. Оскільки|тому що| в реальному кристалі дефектів завжди багато, то локальне коливання, будучи збудженим на одному дефекті, може перейти на іншій, як при резонансі однакових слабо звязаних маятників. Тому локальні коливання володіють цілим спектром частот, які утворюють домішкову зону частот коливань кристалічної решітки.

  Разом з|поряд з,поряд із| локальними коливаннями в області низьких частот можуть існувати так звані квазілокальні коливання. Зокрема, такі коливання є в кристалі з|із| важкими|тяжкий| домішковими атомами. Квазілокальні коливання при низьких температурах різко збільшують гратчасту теплоємність, коефіцієнт термічного розширення, тепло- і електроопір. Так, наприклад, 2--3% домішкових атомів, в 10 разів важчих, ніж атоми матриці, здатні|здібний| при малих Т подвоїти гратчасту теплоємність і коефіцієнт термічного розширення.

  Локальні коливання протяжних дефектів, наприклад, поширюються|поширюватися| уздовж|вздовж,уподовж| них у вигляді хвиль, але|та| в матрицю, як і у разі|в разі| точкових дефектів, не проникають. Частоти цих коливань можуть належати як забороненій, так і дозволеній області частот матриці, відрізняючись від них законом дисперсії. Такі, наприклад, звукові поверхневі|поверховий,зверхній| хвилі, що виникають у|в,біля| плоскій межі|кордон| твердого тіла (хвилі Релея|).

  Експериментальні методи вивчення коливань кристалічної решітки різноманітні|всілякий|. Одним з методів вивчення локальних і квазілокальних коливань кристалічної решітки служить їх збудження за допомогою інфрачервоного випромінювання. Воно супроводжується|супроводитися| резонансним зменшенням прозорості кристала і дозволяє не тільки|не лише| виявити ці коливання, але і визначити їх частоти.

  Дослідження непружного розсіяння нейтронів в кристалах дозволяють визначити закон дисперсії і поляризацію нормальних коливань. Закон дисперсії може бути також відновлений за допомогою дифузного розсіяння рентгенівських променів. Ефект Мессбауєра дозволяє безпосередньо визначити середньоквадратичні зсуви|зміщення| і імпульси атомів в процесі коливань кристалічної решітки.

Дефекти у кристалах утворюються в процесі їх зростання,|зріст| під впливом теплових, механічних і електричних дій, а також при опромінюванні|опромінення| нейтронами, електронами, рентгенівськими променями, ультрафіолетовим випромінюванням (радіаційні дефекти) і  т.п.

3. Виникнення дефектів. Кристалізація

Кристалізація - утворення кристалів з|із| пари, розчинів, розплавів, речовини в твердому стані (аморфному або іншому кристалічному), в процесі електролізу і при хімічних реакціях. Кристалізація приводить|призводити,наводити| до утворення мінералів. Кристалізація води грає важливу|поважний| роль в атмосферних і ґрунтових явищах. Кристалізація лежить в основі металургії, отриманні|здобуття| напівпровідникових, оптичних, пєзоелектричних і ін. матеріалів, плівок для мікроелектроніки, металевих покриттів, широко використовується в хімічній, харчовій, медичній промисловості (очищення речовин, виробництво добрив, солей, цукру, хімікатів, ліків).

  Умови кристалізації. Якщо кристал не плавиться, не розчиняється, не випаровується і не росте|зростати|, то він знаходиться|перебувати| в термодинамічній рівновазі з|із| матковим середовищем|середа| (розплавом, розчином або парою). Рівновага кристала з|із| розплавом тієї ж речовини можливо лише при температурі плавлення Тпл, а рівновага з|із| розчином і парою -- якщо останні насичені|. Пересичення або переохолодження середовища|середа| -- необхідна умова для зростання|зріст| зануреного в неї кристала, причому швидкість росту кристала тим більше, чим більша відхилення від рівноваги.

  Кристалізація -- фазовий перехід речовини із|із| стану переохолодженого (пересиченою) маткового середовища|середа| в кристалічне зєднання|сполучення,сполука| з|із| меншою енергією. Надмірна|надлишковий| енергія виділяється при кристалізації у вигляді прихованої теплоти кристалізації. Частина цієї теплоти може перетворюватися на механічну роботу; наприклад, кристал, що росте|зростати|, може піднімати|підіймати| покладений на нього вантаж, розвиваючи кристалізаційний тиск|тиснення| близько десятків кГ/см2. Зокрема, кристали солей|соль|, що утворюються в порах бетонних дамб|гребля| в морській воді, можуть викликати|спричиняти| руйнування бетону.

  Виділення прихованої теплоти кристалізації веде до нагрівання розплаву, зменшення переохолодження і уповільнення кристалізації, яка закінчується вичерпанням речовини або досягненням рівноважних значень температури, концентрації і тиску|тиснення|.

  Зародки кристалізації. Переохолоджене середовище|середа| може довго зберігати, не кристалізуючись, нестійкий метастабільний стан (наприклад, дрібні|мілкий|, діаметром 0,1 мм краплі|краплина| добре очищених|обчищений| металів можна переохолоджувати до температури ~ 0,8 Т_пл). Проте|однак| досягши деякого граничного для даних умов критичного переохолодження в рідині або парі майже миттєво виникає безліч дрібних|мілкий| кристалів (зародків). Відбувається|походити| спонтанна кристалізація. Кристали, що виникли ростуть, оскільки  переохолодження зменшується, нові зародки, як правило, більше не виникають. Критичне переохолодження залежить від температури, концентрації, складу середовища|середа|, її обєму|обсяг|, від присутності сторонніх частинок|частка,часточка| (наприклад, порошинок, на яких утворюються зародки, кристалів ін. речовин і  т. п.), від матеріалу і стану поверхні стінок судини|посудина|, від інтенсивності перемішування, дії випромінювань і ультразвуку.

  При зародженні атоми або молекули речовини, що кристалізується, обєднуються в кристалічні агрегати. Обєднання частинок|частка,часточка| в агрегат зменшує вільну енергію системи, а поява нової поверхні -- збільшує. Чим менший агрегат, тим більша частка|доля| його частинок|частка,часточка| лежить на поверхні, тим більша роль поверхневої|поверховий,зверхній| енергії. Тому із|із| збільшенням розміру r агрегату робота А, потрібна для його утворення|утворення|, спочатку збільшується, а потім падає (рис. 5).

Агрегат, для якого робота утворення|утворення| максимальна, називається критичним зародком (r_кр). Чим менша робота утворення зародка, тим вірогідніша його поява. З|із| цим переважно повязане зародження на сторонніх частинках|частка,часточка| (особливо заряджених), на поверхнях твердих тіл і на їх дефектах. Таке зародження називається гетерогенним. При кристалізації на поверхні твердого тіла зародження відбувається|походити| переважно на неоднорідностях поверхні. При цьому кристали «декорують» дефекти і неоднорідності. Гомогенне зародження в обємі|обсяг| чистої рідини можливо лише при дуже глибоких переохолодженнях. Зі|із| зниженням температури і із|із| зростанням|зріст| переохолодження зменшується робота утворення зародка, але|та| одночасно падає і вязкість рідини, а з|із| нею і частота приєднання нових частинок|частка,часточка| до кристалічних агрегатів. Тому залежність швидкості зародження від температури має максимум

При низьких температурах рухливість частинок|частка,часточка| рідини настільки|настільки| мала, що розплав твердне, залишаючись аморфним, -- виникає скло.

|Епітаксія. Кристали, що виникають на поверхнях ін. кристалів, орієнтовані відносно них закономірно. Наприклад, при кристалізації Au (з|із| атомарного пучка) на поверхні кристала NaCl кристали Au орієнтовані паралельно граней NaCl або гранями куба, або гранями октаедра. Явище орієнтованого наростання називається епітаксією і походить з|із| газової фази походить, якщо температура підкладки вище деякою критичною (якщо температура нижча, то кристали орієнтовані хаотично) і сильно залежить від чистоти і дефектності підкладки, складу навколишнього середовища, а також від попереднього опромінення|опромінення| підкладки електронами або рентгенівськими променями.

Утворення дефектів при кристалізації. Реальні кристали завжди мають неоднорідний розподіл домішок (секторальна|, зонарна|, олівцева структури). Домішку|нечистота| змінює|змінювати,замінювати| параметр решіток, і на межах|кордон| областей різного складу виникає внутрішня напруга|напруження|. Це призводить|призводити,наводити| до утворення дислокацій і тріщин. Дислокації при кристалізації з|із| розплаву виникають і як результат пружної напруги|напруження| в нерівномірно нагрітому кристалі, а також при наростанні гарячіших нових шарів на холоднішу поверхню. Дислокації можуть «успадковуватися|наслідувати|», переходячи з|із| затравки у вирощуваний кристал.

  Сторонні гази, добре розчинні в матковому середовищі|середа|, але|та| які погано захоплює|захвачувані| кристал, що росте|зростати|, утворюють на фронті зростання|зріст| бульбашки, які захоплюються кристалом, якщо швидкість росту перевищує деяку критичну. Так само захоплюються і сторонні тверді частинки|частка,часточка| з|із| маткового середовища|середа|, що стають потім в кристалі джерелами внутрішньої напруги|напруження|.

  Масова кристалізація -- одночасне зростання|зріст| безлічі кристалів -- широко використовується в промисловості. Для отримання|здобуття| кристалів приблизно однакової величини і форми використовуються найдрібніші (~0,1 мм) кристали приманок; процес ведеться в тій області температур, де нові зародки мимоволі не виникають.

  Спонтанна масова поява зародків і їх зростання|зріст| відбуваються|походити| при твердінні відливань|виливок| металів. Кристали зароджуються перш за все|передусім| на охолоджуваних стінках, куди заливається перегрітий метал. Зародки на стінках орієнтовані хаотично, проте|однак| в процесі зростання|зріст| «виживають» ті з|із| них, у|в,біля| яких напрям|направлення| максимальної швидкості росту перпендикулярний до стінки. В результаті у|в,біля| поверхні виникає стовпчаста зона, що складається з майже паралельних вузьких кристалів, витягнутих вздовж|вздовж,уподовж| нормалі до поверхні. Конвекційні потоки в розплаві можуть ламати галузь дендритів|, поставляючи нові затравки. Аналогічно діє ультразвук, а також додавання|добавка| порошків, частинки|частка,часточка| яких служать центрами кристалізації, і поверхнево-активних речовин, що полегшують утворення зародків.

Розрізняють точкові дефекти (нульмірні), лінійні (одновимірні|одномірний|), дефекти, які утворюють в кристалі поверхні (двовимірні), і обємні дефекти (тривимірні|трьохмірний|). У|в,біля| одновимірного|одномірний| дефекту в одному напрямі|направлення| розмір значно більше, чим відстань між сусідніми однойменними атомами (параметр грат), а в двох інших напрямах|направлення| -- того ж порядку|лад|. У|в,біля| двовимірного дефекту в двох напрямах|направлення| розміри більші, ніж відстань між найближчими атомами, і  т.д.

4. Точкові дефекти.

Частина|частка| атомів або іонів|іон| може бути відсутньою на місцях, відповідних ідеальній схемі грат. Такі дефектні місця називаються вакансіями.

4.1 Вакансії

Вакансія, дефект за Шоткою, дефект кристала, що є відсутністю атома або іона|іон| у вузлі кристалічної решітки (рис. 7).

Вакансія є|наявний| у всіх кристалах, як би ретельно ці кристали не вирощувалися. У реальному кристалі вакансії виникають і зникають в результаті|унаслідок,внаслідок| теплового руху атомів. Механізм утворення вакансій|утворення| можна представити|уявити| як вихід атомів поверхневого|поверховий,зверхній| шару на поверхню з|із| подальшим|наступний| переходом виникаючих поверхневих|поверховий,зверхній| «дірок» (рис. 8 а, б, в).

При цьому замість звязку з|із| трьома сусідніми атомами залишається лише|лише| один звязок, а дві інші розриваються. Отже, робота, необхідна для утворення вакансії|утворення|, рівна енергії двох звязків.

  Вакансії безладно переміщуються в кристалі, обмінюючись місцями з|із| сусідніми атомами. Рух вакансій є|зявлятися,являтися| головною причиною перемішування (самодифузії) атомів в кристалі, а також взаємній дифузії контактуючих кристалів. Кожній температурі відповідає певна рівноважна концентрація вакансій. Кількість вакансій у кристалах металів поблизу температури плавлення досягає 1--2% від числа атомів.

При кімнатній температурі в|в,біля| алюмінію одна вакансія припадає|припадати,приходитися| на 1012 атомів, а в|в,біля| таких металів, як срібло і мідь, кількість вакансій при кімнатній температурі ще менша. Проте|однак|, не дивлячись на|незважаючи на| малу концентрацію, вакансії істотно|суттєво| впливають на фізичні властивості кристала: знижують щільність, викликають|спричиняти| іонну провідність і ін. Вакансії відіграють важливу|поважний| роль в процесах термообробки, спіканні і інших процесах. 

У кристалах можуть бути присутніми чужорідні (домішкові) атоми або іони|іон|, які заміщують основні частинки|частка,часточка|, що утворюють кристал, або вміщуються між ними. Точковими домішками у кристалах є|зявлятися,являтися| також власні атоми або іони|іон|, що змістилися з|із| нормальних положень|становище| (міжвузлові атоми і іони|іон|), а також центри забарвлення -- комбінації вакансій з|із| електронами провідності (F-центри), з|із| домішковими атомами і електронами провідності (Z-центри) або з|із| дірками (V-центри). Центри забарвлення|фарбування| можуть бути викликані|спричинені| опроміненням|опромінення| кристалів.

4.2 Центри забарвлення

Центри забарвлення - |фарбування|дефекти кристалічної решітки, що поглинають світло в спектральній області, в якій власне поглинання кристала відсутнє. Спочатку термін «центи забарвлення» відносився тільки|лише| до так-званих F-центрів (від нім. Farbenzentren), які було виявлено вперше|уперше| в 30-х рр. в лужно-галогенних кристалах Р. В. Полем із|із| співробітниками (Німеччина|Германія|) і що є аніонні, такі, що захопили електрон [модель французького ученого де| Бура, підтверджена експериментально і теоретично розрахована С. И. Пекаром (СРСР)]. Надалі під центрами забарвлення стали розуміти будь-які точкові, такі, що поглинають світло поза|зовні| областю власного поглинання кристала -- катіонні і аніонні вакансії, міжвузлові іони|іон| (власні центри забарвлення), а також домішкові атоми і іони|іон| (домішкові центри). Центри забарвлення виявляються у|в,біля| багатьох неорганічних кристалах і в склі; вони широко поширені в природних мінералах.

  Власні центри забарвлення можуть бути створені дією іонізуючого проміння і світла, що відповідає області власного поглинання кристала (фотохімічне фарбування). Такі центри забарвлення називаються наведеними. При фотохімічному фарбуванні нерівноважні носії заряду (електрони провідності і дірки), що виникли під дією випромінювання, захоплюються дефектами кристала і змінюють|зраджувати| їх заряд, що зумовлює|зумовлювати| появу нових смуг в спектрі поглинання і зміну забарвлення|фарбування| кристала. Зазвичай|звично| зявляється|появлятися| принаймні 2 типи центрів забарвлення -- із|із| захопленим електроном (електронний центр забарвлення) і діркою (дірковий центр забарвлення). Якщо частинки|частка,часточка| або фотони, що породжують фарбування, несуть чималу енергію, то вони можуть утворювати нові дефекти, які теж|також| зазвичай|звично| виникають парами (наприклад, вакансія -- міжвузловий іон). Наведені центри забарвлення можуть бути зруйновані при нагріванні (термічне знебарвлення) або дії світла, відповідного спектральній області поглинання самих центрів забарвлення (оптичне знебарвлення). Під дією тепла або світла один з носіїв заряду, наприклад електрон, звільняється|визволяється| з|із| дефекту, що захопив його, і рекомбінує з|із| діркою. Такий процес може супроводжуватися|супроводитися|, якщо енергія, що виділилася при цьому, випускається у вигляді кванта світла. Під дією тепло може зникати і пари дефектів (наприклад, міжвузловий атом може заповнити відповідну вакансію). В цьому випадку люмінесценція, як правило, не спостерігається -- вся енергія, що виділилася, перетворюється на тепло.

При іншому способі утворення|створіння| власних центрів забарвлення, так-званому адитивному фарбуванню носії заряду, необхідні для створення|створіння| центрів забарвлення, вносяться до кристала ззовні, а не утворюються в ньому самому (звідси термін «адитивне фарбування», тобто фарбування при додаванні|добавці| чого-небудь). Це досягається прогріванням в парах металу або введенням|вступ| електронів в нагрітий кристал із|із| загостреного|гострокінцевий| катода, або ж за допомогою електролізу. При прогріванні в парах металу атоми металу дифундують всередину кристала, заповнюють катіонні вакансії і, віддаючи свої електрони аніонним вакансіям, утворюють F-центри. В деяких випадках (наприклад, у випадку флюорита) власні центри забарвлення можуть виникати в процесі кристалізації. Центри забарвлення, що утворюються при адитивному фарбуванні і кристалізації, не можуть бути знищені термічно або оптично -- для їх руйнування потрібні інші дії. Так адитивно забарвлені|пофарбований| лужно-галогенні кристали знебарвлюються при нагріванні в атмосфері галогену; флюорит вдалося одержати|одержати| нефарбованим, змінивши|зрадивши| умови кристалізації.

  Якнайповніше F-центри вивчені в лужно-галогенних кристалах, але|та| виявлені вони і в інших кристалах. F-центр в лужно-галогенних кристалах обумовлює|зумовлювати| селективну смугу поглинання дзвонеподібного |вигляду|вид| (F-смугу), зазвичай|звично|, у видимій області спектру, що зміщується для кристалів з|із| однаковими аніонами (катіонами) і різними катіонами (аніонами) у бік довгих хвиль при збільшенні атомної ваги катіона (аніона|). Наприклад, в NACI F-смуга має максимум поглинання в синій області спектру (= 465 нм|) і колір|цвіт| кристала -- жовто-коричневий (додатковий колір|цвіт|), в KCl -- в зеленій області ( = 563 нм|) і кристал виглядає фіолетовим.

  У лужно-галогенних кристалах виявлені і інші складніші власні центри забарвлення -- F-агрегатні електронні центри: F2 (або М), F3 (або R), F4 (або N), є відповідно два, три і чотири звязані F-центри (тобто дві, три або чотири аніонні вакансії, що захопили 2,3,4 електрона); F2+, F3+ -- іонізовані| F2- і F3-центри і ін. Діркові центри в лужно-галогенних кристалах представлені|уявлені| молекулярними іонами|іон| галогену (наприклад, Cl), що захопили дірку (тобто що віддали один електрон) і зайняли|позичати,посідати| положення|становище| двох нормальних іонів|іон| (Vk-центр) або положення|становище| одного іона|іон| (Н-центр), які можуть знаходитися|перебувати| у поєднанні з вакансією сусіднього катіона (VF-центр) або двох катіонів (Vt-центр).

  Домішкові центри забарвлення -- чужорідні атоми або іони|іон|, упроваджені|запроваджені,впроваджені| в кристал, скло або іншу основу. У кристали для утворення домішкових центрів забарвлення домішка|нечистота| вводиться|запроваджується| в розплав або розчин в процесі кристалізації або ж шляхом дифузії в готовий кристал. Домішкові атоми і іони|іон| так само, як і ін. точкові дефекти, можуть захоплювати|захвачувати| електрон або дірку, внаслідок чого змінюють|зраджувати| смугу поглинання кристала і його забарвлення|фарбування|. Наведені домішкові центри забарвлення виникають в кристалах і аморфних тілах, що містять|утримувати| домішки, при фотохімічному фарбуванні завдяки зміні заряду домішки. В більшості випадків іони|іон| домішок, що входять в наведені центри забарвлення, мають валентність, відмінну|інший| від іонів|іон| основи. Так, наприклад, в кристалі KCl з|із| домішкою|нечистота| Tl домішковий центр забарвленя -- іон Tl+, а наведені домішкові центри забарвлення -- атоми Tl і іони|іон| Tl2+; у рубіні (Al2O3 з|із| домішкою|нечистота| Cr) домішковий центр забарвлення -- іон Cr3+, наведені домішкові центри забарвлення -- іони|іон| Cr2+ і Cr4+. Всі наведені центри забарвлення можуть бути зруйновані оптично або термічно.

  У кристалах з|із| домішками|нечистота| виявлені також центри забарвлення змішаного типу: FA-центри і Z-центри. Перші є F-центрами, розташованими|схильний| поряд з|поряд із| іоном|іон| домішки (активатором), другими (у лужно-галогенних кристалах), -- F-центрами, повязаними з вакансіями і з|із| двовалентними домішковими іонами|іон| (Ca, Sr). Спостерігаються також складні домішкові центри забарвлення, що складаються з двох або більше за частинками|частка,часточка| домішок одного або різних сортів|гатунок|. Наприклад, в лужно-галогенних кристалах виявлені домішкові центри забарвлення, повязані з впровадженням іонів|іон| (О-, O2-, S2-, S3-, SO2-, PO42-, CO32- і ін.). Центри забарвлення під впливом зовнішніх дій (світло, тепло, електричне поле) можуть коагулювати, утворюючи так-звані колоїдні центри.

  Центри забарвлення , будучи центрами захоплення електронів і дірок, можуть служити центрами люмінесценції. Найбільш ефективним методом дослідження центрів забарвлення є|зявлятися,являтися| електронний парамагнітний резонанс у поєднанні із спектральними дослідженнями, що дозволяє розшифрувати будову|споруда| центрів забарвлення.

  Фарбування і знебарвлення кристалів і аморфних тіл широко застосовується в науковому експерименті і в техніці. Воно використовується в дозиметрії ядерних випромінювань, в обчислювальній техніці (пристрій|устрій| для зберігання інформації), в пристроях|устрій|, де застосовуються фотохромні| матеріали (сонцезахисні скельця, що темніють під дією сонячного світла і прояснюються в темноті|темрява|) і ін. У археології і геології по дослідженнях центрів забарвлення, що виникли під дією випромінювання радіоактивних елементів, що знаходяться|перебувати| в товщі Землі|грунт|, визначають вік глиняних виробів і мінералів. Забарвлення|фарбування| ряду|лава,низка| коштовних каменів і самоцвітів повязане з центрами забарвлення (аметист, цитрин, алмаз, амазоніт| і ін.). Деякі кристали і стікла з|із| домішковими центрами забарвлення використовуються як активне середовище|середа| в лазерах (рубін, скло з|із| домішкою|нечистота| Nb та ін.).

  У іонних кристалах, утворених частинками|частка,часточка| двох сортів|гатунок| (позитивними і негативними|заперечний|), точкові дефекти виникають парами. Дві вакансії протилежного знаку утворюють дефект за Шотою. Пара, що складається з межвузлового| іона|іон| і залишеної ним вакансії, називається дефектом по Френкелю.

  Атоми в кристалах розташовуються на рівній відстані один від одного рядами|лава,низка|, витягнутими вздовж|вздовж,уподовж| певних кристалографічних напрямів|направлення|. Якщо один атом зміститься з|із| свого положення|становище| під ударом частинки|частка,часточка|, що налетіла, викликаної|спричиненої| опроміненням|опромінення|, він може, у свою чергу|своєю чергою|, змістити сусідній атом і  т.д.

Таким чином зміщеним виявиться цілий ряд|лава,низка| атомів, причому на якомусь відрізку ряду|лава,низка| атомів один атом виявиться зайвим. Таке порушення в розташуванні атомів або іонів|іон| уздовж|вздовж,уподовж| певних напрямів|направлення| з|із| появою зайвого атома або іона|іон| на окремій ділянці ряду|лава,низка| називається краудіоном.

Опромінення|опромінення| виводить з|із| положення|становище| рівноваги атоми або іони|іон| і в інших напрямах|направлення|, причому рух передається по естафеті все більш далеко віддаленим атомам. У міру видалення|віддалення| від місця зіткнення|сутичка| частинки|частка,часточка|, що налетіла, з|із| атомом кристала передача імпульсу виявляється|опинятися| локалізованою (сфокусованою) уподовж|вздовж| найбільш щільно упакованих|пакованих| напрямів|направлення|.

Така естафетна передача імпульсу частинки|частка,часточка|, що налетіла, іонам|іон| або атомам кристала з|із| постійним фокусуванням імпульсу уподовж|вздовж| щільно упакованих|пакованих| атомних рядів|лава,низка| називається фокусоном.

4.3 Іонні кристали

Іонні кристали, кристали, в яких зчеплення частинок|частка,часточка| обумовлене переважно іонними хімічними звязками. Іонні кристали можуть складатися як з одноатомних, так і з|із| багатоатомних іонів|іон|. Приклади|зразок| іонних кристалів першого типу -- кристали галогенідів лужних і лужноземельних металів, утворені позитивно зарядженими іонами|іон| металу і негативно|заперечний| зарядженими іонами|іон| галогену (NaCl, CsCl, CaF2, див. рис. 9.).

Приклади|зразок| іонних кристалів другого типу -- нітрати, сульфати, фосфати, силікати і ін. солі|соль| цих же металів, де негативні|заперечний| іони|іон| кислотних залишків складаються з декількох атомів. Кислотні залишки можуть обєднуватися в довгі ланцюги|цеп|, шари, а також утворюють тривимірний|трьохмірний| каркас, в порожнечах|пустота| якого розміщуються іони|іон| металу. Такі утворення зустрічаються, наприклад, в кристалічних структурах силікатів.

5. Лінійні дефекти.

У реальних кристалах деякі атомні площини|плоскість| можуть обриватися. Краї таких обірваних (зайвих) площин|плоскість| утворюють краєві|крайовий| дислокації. Існують також гвинтові дислокації, повязані із закручуванням атомних площин|плоскість| у вигляді гвинтових сходів, а також складніші типи дислокацій. Іноді|інколи| лінійні дефекти у кристалах утворюються з|із| скупчення точкових дефектів, розташованих|схильний| ланцюжками.

5.1 Дислокації

Дислокації в кристалах, дефекти кристала, що є лініями, вздовж і поблизу яких порушено характерне|вдача| для кристала правильне розташування атомних площин|плоскість|. Дислокації та інші дефекти в кристалах визначають багато фізичних властивостей кристалів, званих структурно-чутливими. Зокрема, механічні властивості кристалів -- міцність і пластичність -- обумовлені існуванням дислокацій і їх особливостями.

  Найпростішими видами дислокацій є|зявлятися,являтися| краєва|крайовий| і гвинтова дислокації. В ідеальному кристалі сусідні атомні площини|плоскість| паралельні на всьому своєму протязі. У реальному кристалі атомні площини|плоскість| часто обриваються усередині кристала (рис. 10, а), при цьому виникає краєва|крайовий| дислокація, віссю якої є|зявлятися,являтися| край «зайвої» напівплощини|плоскість|.

Рис. 10. Краєва дислокація: а - обрив атомної площини всередині кристала; б - схема утворення краєвої дислокації

Застосування|вживання| електронних мікроскопів з|із| великою роздільною здатністю дозволяє спостерігати в деяких кристалах специфічне для краєвої|крайовий| дислокації розташування атомних рядів|лава,низка|.

  Утворення краєвої|крайовий| дислокації можна уявити собі, якщо надрізати кристал по частині|частка| площини|плоскість| ABCD (рис. 10, б), зрушити|зсунути| нижню частину|частка| відносно|відносно| верхньої на одну міжатомну відстань b в напрямі|направлення|, перпендикулярному до АВ|, а потім знову|знову,щойно| зєднати атоми на протилежних краях розрізу. Зайва напівплощина|плоскість|, що залишилася, обривається уздовж|вздовж,уподовж| краєвої|крайовий| дислокації АВ|. Вектор b, величина якого рівна міжатомній відстані, називається вектором зрушення|зсув| (вектор Бюргерса). Площина|плоскість|, що проходить через вектор зрушення|зсув| і лінію дислокації, називається площиною|плоскість| ковзання краєвої|крайовий| дислокації.

  Якщо напрям|направлення| зрушення|зсув| b не перпендикулярно, а паралельно межі|кордон| надрізу АВ|, то виходить гвинтова дислокація (рис. 11, а).

На відміну від краєвої|крайовий| дислокації, у|в,біля| гвинтової дислокації площиною|плоскість| ковзання є|зявлятися,являтися| будь-яка кристалографічна площина|плоскість|, що проходить через лінію АВ|. Кристал з|із| гвинтовою дислокацією вже не складається з паралельних атомних площин|плоскість|, скоріше|скоріш| за нього можна розглядати|розглядувати| таким, що складається з однієї атомної площини|плоскість|, закрученої у вигляді гелікоїда або гвинтових сходів без сходинок (рис.11, б). На рис. 11 а, показано розташування атомів вище (білі кола) і нижче (чорні кола) за площину|плоскість| ковзання в простих кубічних гратах з|із| гвинтовою дислокацією. Якщо гвинтова дислокація виходить|виходити| на зовнішню поверхню кристала, то в точці виходу А (рис.11, б) обривається сходинка AD заввишки в товщину одного атомного шару. Ця сходинка активно проявляє|виявляти| себе в процесі кристалізації. Атоми речовини, випадні з|із| пари або розчину, легко приєднуються до сходинки на поверхні кристала, що росте|зростати|. Кількість атомів, що захоплюються|захвачуються| сходинкою, і швидкість зсуву|зміщення| сходинки по поверхні кристала більше поблизу виходу дислокації. Тому сходинка закручується навколо|навкруг,довкола| осі дислокації. Сходинка послідовно піднімається|підіймається| з одного кристалічного «поверху» на іншій, що приводить|призводити,наводити| до спірального зростання|зріст| кристала.

  Між граничними випадками краєвою|крайовий| і гвинтовою дислокаціями можливі будь-які проміжні, в яких лінія дислокації складає довільний кут|ріг,куток| з|із| вектором зрушення|зсув| (змішана дислокація). Лінія дислокації не обовязково повинна бути прямій, вона може бути довільною кривою. Лінії дислокації не можу ...........