Одномерные (линейные) дефекты – это главным образом дислокации. Они имеют макроскопическую протяженность в одном измерении; в двух других измерениях нарушения регулярной кристаллической структуры обычно ограничиваются несколькими межатомными расстояниями. Дислокация – это граница области неполного сдвига одной части кристалла относительно другой его части (лат. dislocation – смещение). Сделаем в кристалле неполный разрез по поверхности AA´B´B, ограниченный линией L.Теперь сдвинем одну часть кристалла относительно другой его части вдоль поверхности разреза на вектор b, кратный вектору решетки, и соединим («склеим») материал по разрезу (рис.N.4б, в). Так как сдвиг равен вектору решетки, все узловые ряды, пересекающие поверхность разреза с обеих сторон, в точности совпадут, т.е. структура полностью восстановится. Исключение составляет узкая область вдоль границы разреза L, показанная на схеме как пустотелая трубка. В этой области (ядро дислокации) сосредоточены нарушения регулярного расположения частиц – искаженные либо разорванные межатомные связи. Эта одномерная область и является дислокацией. Вектор сдвига b называется в теории дислокаций вектором Бюргерса, а его модуль – мощностью дислокации. Мощность может варьировать от одного до нескольких тысяч межатомных расстояний (гигантские дислокации). В зависимости от ориентации вектора Бюргерса относительно линии дислокации Lразличают краевые, винтовые и смешанные дислокации.
У краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен линии дислокации. При неполном сдвиге одна или несколько полуплоскостей (в зависимости от мощности дислокации) оказываются оборванными. Края лишних полуплоскостей и образуют краевую дислокацию – отсюда и ее название.
У винтовой дислокации вектор Бюргерса параллелен линии дислокации (рис.N.4в). Смыкание разорванных вдоль поверхности сдвига участков атомных плоскостей происходит со смещением на b по нормали к плоскостям. В результате возникает одна гигантская плоскость, закрученная по винту вокруг линии дислокации (рис.N.5в), почему дислокация и называется винтовой.
У смешанных дислокаций вектор Бюргерса ориентирован под углом к линии дислокации. Это промежуточный тип дислокаций, обладающих и краевой, и винтовой компонентами. Дислокации могут быть прямолинейными, а могут менять направление, вплоть до замыкания в петли. Они могут выходить на поверхность кристалла, но не могут обрываться внутри кристалла. При любой форме дислокационной линии вектор Бюргерса не меняет ни величины, ни направления (закон сохранения вектора Бюргерса).
Дислокации в кристаллах образуются при их пластической деформации и представляют собой элементарные сдвиги в кристалле, «кванты» пластической деформации. Путем образования, размножения и движения дислокаций и происходит пластическое течение твердого тела. Дислокации образуются под действием внешних сдвиговых напряжений (тектонические напряжения, механическая обработка материалов), но могут возникать и в отсутствии внешних напряжений, в процессе роста кристалла (ростовые дислокации). В этом случае причиной их образования являются внутренние напряжения, возникающие в кристалле из-за неоднородности его температуры или состава.
6. Сингонии. Характеристика сингоний по единичным направлениям. Полярные и неполярные направления.
Разные виды симметрии существенно различаются по степени симметричности. Можно 32 вида симметрии сгруппировать в три категории – низшую, среднюю и высшую. К низшей категории будем относить виды симметрии, не содержащие осей симметрии высшего порядка (т.е. порядка выше второго). К средней категории относятся вида симметрии, имеющие одну ось симметрии высшего порядка. В высшую категорию попадают высокосимметричные кристаллы с несколькими осями симметрии высшего порядка
Далее, внутри категорий можно провести дальнейшую группировку видов симметрии, выделяя 7 сингоний (греч. син – одинаковый, гониа – угол). (Сингони́я (от греч. σύν, «согласно, вместе», и γωνία, «угол» — дословно «сходноугольность») — одно из подразделений кристаллов по признаку формы их элементарной ячейки). О степени симметричности кристаллов можно судить также по количеству в них особых, или единичных направлений. Мы уже знаем, что свойства кристаллов различны по разным направлениям (анизотропия кристаллов). Но если данное направление размножается элементами симметрии кристалла, значит, для этого направления есть эквивалентные направления, в которых свойства будут такими же. Направления, связанные элементами симметрии, называются симметрично-равными. С другой стороны, в кристалле возможны направления, которые не размножаются элементами симметрии, им нет эквивалентных, симметрично-равных направлений. Свойства в таких особых направлениях могут отличаться от свойств в любых других направлениях. Эти направления называются единичными. Понятно, что чем выше симметрия кристалла, тем меньше в нем единичных направлений
В кристаллах высшей категории (кубическая сингония), благодаря их высокой симметрии, единичных направлений нет – любому направлению найдутся симметрично-равные направления. В кристаллах средней категории возможно только одно единичное направление, совпадающее с единственной осью симметрии высшего порядка. Все другие направления этой осью симметрии будут размножаться. Заметим сразу, что это дает дополнительный критерий для обнаружения инверсионной оси симметрии четвертого порядка. Если найденная ось L2является единичным направлением, и других единичных направлений в фигуре нет, то это ось Li4.
Для низшей категории единичных направлений больше одного, но в разных сингониях их разное количество. Кристаллы ромбической сингонии имеют три взаимно перпендикулярных оси симметрии второго порядка – простые или инверсионные (перпендикуляры к плоскостям симметрии). С этими осями совпадают три единичных направления.В кристаллах моноклинной сингонии имеется только одна ось второго порядка – простая или инверсионная. Направление, совпадающее с этой осью, является единичным и не размножается, так как других элементов симметрии (кроме, может быть, центра инверсии) нет. Кроме того, не размножаются и все направления, лежащие в плоскости, перпендикулярной L2 или Li2 (т.е. в плоскости m). Итак, в кристаллах моноклинной сингонии имеется множество единичных направлений (различающихся между собой!), но не все направления единичны. В кристаллах триклинной сингонии единичны все направления (и все они между собой различаются), поскольку нет элементов симметрии, которые бы их размножали. Если есть центр инверсии, то он лишь совмещает разные концы каждого направления.
Полярными являются направления, противоположные концы которых не могут быть совмещены элементами симметрии кристалла. Отсюда сразу ясно, что в кристаллах, обладающих центром инверсии, полярных направлений (и связанных с ними особых физических свойств) быть не может. В кристаллах без центра инверсии не являются полярными инверсионные оси (в том числе перпендикуляры к плоскостям симметрии Li2),а также все направления, перпендикулярные к поворотным осям симметрии четного порядка (и перпендикулярные к Li4, включающей L2). Все остальные направления в бесцентровых кристаллах полярны.
С полярными единичными направлениями связано такое важное физическое явление, как пироэлектричество (греч. пир – огонь) – спонтанная электрическая поляризация кристаллов вдоль этих направлений, величина которой меняется с изменением температуры. С любыми полярными направлениями, не обязательно единичными, связано другое важное для техники явление – пьезоэлектрический эффект (греч. пьезо – давить), т.е. возникновение по этим направлениям электрической поляризации под действием механических напряжений (и обратный эффект – деформации кристалла под действием электрического поля).
По разным концам полярных направлений могут также различаться скорости роста кристалла и его огранка.