Ідеальних кристалів з ідеальною гратами не існує. У реальних кристалах є різні дефекти, що порушують періодичність в розташуванні атомів. Структурні дефекти в кристалах поділяють на
- нульмерние або точкові (вакансії, впроваджені атоми);
- Одномірні або лінійні (крайові і гвинтові дислокації);
- Двовимірні і тривимірні іліоб'ёмние (мікропори, тріщини, газові бульбашки).
Точкові дефекти. Вакансія - відсутність атома у вузлі кристалічної
решітки. Впроваджені атоми: а) чужорідний атом у вузлі кристалічної решітки; б) атом поза вузлом, в межузельние просторі. Точкові дефекти підвищують електропровідність, а на механічні властивості не впливають.
Нульмерние - точкові дефекти, діляться на енергетичні, електронні та атомні. До енергетичних дефектів відносяться тимчасові зміни регулярності решітки кристала - фонони, викликані тепловими коливаннями атомів решітки. Електронні дефекти являють собою надлишкові електрони, відсутність електронів в валентних зв'язках між атомами - дірки і екситон - пари електрон-дірка, пов'язані між собою кулоновскими силами. Атомні дефекти підрозділяються на власні (теплові) і домішкові. Теплове дефекти є в кристалах при будь-яких температурах, відмінних від абсолютного нуля, і виявляються або у вигляді незайнятих вузлів - вакансій (дефекти по Шоттки), або як освіти, стан з вакансії і атома, зміщеного в междоузлие (дефекти по Френкелю). Домішки сторонніх атомів в залежності від своїх розмірів можуть розташовуватися у вузлах решітки або в междоузлиях. Такі дефекти називаються відповідно домішками заміщення і домішками впровадження.
Дислокації: крайові - обірваний край атомної площині всередині кристалічної решітки; гвинтові - умовна вісь всередині кристала, щодо якої закручуються атомні площини в процесі кристалізації. При збільшенні щільності дислокацій і зменшенні їх рухливості міцність збільшується в кілька разів.
Одномірні - лінійні дефекти (крайові і гвинтові дислокації) утворюються в кристалах, які зазнали зовнішнім деформацій. При крайовому зсуві верхній шар атомів кристала переміщається щодо нижнього, в результаті чого одна з атомних площин всередині кристалу обривається. Кордон атомної півплощини називається крайової дислокацією. Вона являє собою лінію, що лежить в площині ковзання і визначальну область кристала, яка зазнала зрушення (рис. А).
У разі гвинтовий дислокації одна частина кристала зміщена відносно іншої в напрямку, паралельному лінії дислокації і утворює шар атомів, що піднімаються над площиною кристала у вигляді ступені. При цьому весь кристал складається ніби з однієї атомної площини, закрученої по гвинтовий лінії навколо дислокації (рис. Б).
Мал. Лінійні дефекти - дислокації: а - крайова; б - гвинтів а
Найбільш простим методом виявлення дислокацій є метод хімічного травлення поверхні кристала спеціально підібраним травителем. Кінетика процесів травлення складається з наступних етапів:
- дифузія хімічного реагенту травлення;
- десорбція продуктів взаємодії;
- дифузія продуктів реакції від поверхні.
Оскільки дислокації послаблюють сили зв'язку між частинками в кристалі, то в місцях виходу дислокацій на поверхню утворюються ямки, форма яких визначається орієнтацією площини, де проводиться травлення. За кількісну характеристику приймають щільність дислокацій, що припадають на одиницю поверхні (як правило на 1 см 2). Щільність близько 10 2 -10 3 см -2 відповідає якісним кристалів, в той час як в сильно деформованих - 10 11 -10 12 см -2.
Двовимірні (поверхневі дефекти) - поверхні монокристала, межі зерен полікристалів, площини двійникування (коли одна частина кристалічної решітки в процесі росту займає дзеркальне положення щодо іншої).
Тривимірні (об'ємні дефекти) - тріщини, порожнини, включення другої фази і т.д.
Об'ємні дефекти виникають через вплив зовнішніх умов кристалізації або під дією зовнішніх навантажень. В результаті кілька вакансій дають пору; кілька лінійних дислокацій - тріщину.
Вплив дислокацій на процес деформування кристала, полягає в тому, що наявність дислокацій значно полегшують рух атомних площин один щодо одного і сприяє зменшенню межі міцності. В результаті деформування дислокації можуть виходити за межі кристала. Під дією значних зусиль в кристалі можуть виникати нові дислокації, що полегшують деформування кристала (майданчик плинності). Дислокації переплітаються.
Якщо дислокацій немає, то потрібно значне зусилля, щоб деформувати матеріал. Чим більше дислокацій, тим менше зусилля необхідне для деформації зразка. Починаючи з деякої концентрації дислокацій деформація ускладнюється, дислокації заважають руху один одного. Виникає ефект зміцнення.