متالوررژي و نقص هاي شبكه اي

[faridbensaeed]

در این مبحث از تشریح مفاهیم اولیه به دلیل بیان آن ها در دروس پایه دبیرستان و دانشگاه خودداری می شود و بیشتر به تشریح آلیاژها ،کریستال و عیوب آن ها پرداخته می شود.

تبلور ابتدايي يا كريستاليزاسيون

به طور كلي اتم‌هاي مواد كريستالي در حالت بخار و مايع به شكل منظم و مرتبي در كنار يكديگر قرار نمي‌گيرند، بلكه به طور پيوسته در حال حركت نامنظمي هستند. چنانچه درجه‌ي حرارت مذاب به تدريج تا نقطه‌ي آغاز انجماد كاهش يابد، متبلور شدن مذاب شروع مي‌شود. اما بطور كلي مي‌توان اين چنين بيان كرد كه كريستا‌ل‌ها مي‌توانند از حالت بخار، مايع و جامد به وجود آيند. ساختاري كه در حين انجماد تشكيل مي‌شود، بر روي خواص مكانيكي تأثير بسزايي دارد. معمولاً تبلور اوليه در دو مرحله انجام مي‌گيرد، ابتدا مرحله‌ي جوانه‌زني و سپس مرحله‌ي رشد بلور.
جوانه‌زني

با كاهش تدريجي دماي مذاب، انجماد[1] آغاز مي‌شود. ابتدا در نقاط مختلفي از مذاب اتم‌هايي كه داراي حركت كندتري هستند به شكل منظمي تجمع يافته و سلول‌هاي واحد يا كريستال‌هاي بسيار كوچك به عنوان جوانه‌هاي انجماد شكل مي‌گيرند. سپس با كاهش بيشتر دما اتم‌هاي مجاور اين جوانه‌ها به آن‌ها پيوسته و جوانه‌هارشد مي‌يابند و بدين ترتيب شبكه‌‌هاي بزرگ‌تر از تكرار شبكه‌هاي كوچك‌تر ايجاد مي‌شود. وجود سطح جامد، براي مثال ديواره قالب و يا ناخالصي‌هاي حل نشده در ذوب در تشكيل جوانه، به ويژه وقتي كه ناخالصي‌ها و عنصر اصلي داراي شبكه‌ي كريستالي مشابه باشند، بسيار مؤثر است. در عمل هنگام انجماد، تعداد زيادي سلول واحد همزمان و مستقل از يكديگر در نقاط مختلف مذاب به وجود مي‌آيند. تعداد جوانه‌هايي كه در واحد زمان در واحد حجم مذاب در حين سرد شدن شكل مي‌گيرد، يا ازدياد افت درجه‌ي حرارت افزايش مي‌يابد.معمولاً اگر مذاب فلزات حاوي ناخالصي‌هايي باشد، براي تشكيل جوانه فقط كاهش جزئي دما لازم است، در صورتي كه در فلزات خالص مقدار كاهش درجه‌ي حرارت بيشتري لازم خواهد بود. جوانه‌زني بر روي سطوح ناخالصي به عنوان جوانه‌زي ناهمگن معروف است.جوانه‌هاي تشكيل شده در دماي انجماد هنوز بسيار كوچك‌اند و به علت انرژي سطحي بالايي كه در مقايسه با ذوب دارند ناپيدار بوده و ممكن است به حالت ذوب برگردند. وقتي كه جوانه از اندازه‌ي بحراني خود گذشت، پايدار شده و مي‌تواند به رشد خود ادامه دهد. پايداري جوانه با بزرگ شدن اندازه‌ي آن افزايش مي‌يابد.
رشد جوانه‌ها

رشد جوانه به سرعت انتقال حرارت از مذاب و قسمت منجمد شده به ديواره‌ي قالب و محيط اطراف آن بستگي دارد. جوانه‌هاي تشكيل شده به رشد خود، تا جايي كه بلورهاي مجاور به يكديگر مماس شوند. ادامه مي‌دهد. (شكل 2-١). شكل خارجي بلورهاي فلزي اكثراً تحت تأثير بلورهاي رشد كننده‌ي ديگري كه آن‌ها را احاطه كرده‌اند، قرار مي‌گيرد. هر بلور با شكل خارجي متفاوت «دانه» ناميده مي‌شود. بنابراين دانه كريستاليا بلور با هر گونه شكل خارجي است كه ساختار اتمي درون آن بر اساس شبكه‌ي فضايي خاص آن فلز است.

شكل1-2: شكل شماتيكي به وجود آمدن دانه‌هاي كريستالي

به طوري كه در شكل (1-2) نمايان مي‌سازد، شبكه‌هاي بلورها در يك امتداد نيستند و به صورت نامنظمي در مجاروت يكديگر قرار گرفته‌اند.تعداد و اندازه‌ي دانه‌هاي هر فلز تابع دو عامل است. سرعت جوانه‌زني و سرعت رشد جوانه‌ها. هر چه سرعت جوانه‌زني يا به عبارتي اندازه‌ي آن‌ها ريزتر خواهد بود. بدين ترتيب مواد جامد كريستالي اكثراً داراي بلورهاي زيادي بوده به نام پلي كريستال يا چندين بلوري ناميده مي‌شوند، شكل (2-2) به ندرت و با روش‌هاي صنعتي خاصي مي‌توان به تك بلورها كه در قطعات الكترونيكي از قبيل ترانزيستورها، نورسنج‌ها و غيره استفاده مي‌شود. دست يافت. هر اندازه سرعت رشد دانه‌ها كمتر باشد، دانه‌هاي حاصله كوچك‌ترل است. يكي از روش‌هايي كه به كمك آن مي‌توان بر روي خواص مواد از جمله خواص فيزيكي و مكانيكي مواد، تأثير بسيزايي گذاشت و براي مثال تغييراتي را درا ستحكام جسم ايجاد كرد، كنترل اندازه‌ي دانه‌هاست.

شكل2-2: ساختار ميكروسكوپي يك چندين كريستالي (فاز فريتي از آلياژ آهن ـ نيكل)

بررسي‌هاي ميكروسكوپي و ريزساختاري نشان داده است كه عموماص وضعيت اتم‌هاي يك بلور نسبت به بلورهاي مجاور متفاوت است. چنانچه‌ي قطعه‌ي فلزي را كاملاً صيقلي و پلويش دهند و سپس براي مدت كوتاهي در محلول حك يا اچ‌كننده‌اي (مناسب با جنس آن قطعه) فرو برند، ماده‌ي مرزدانه‌اي بسيار بيش ماده‌ي درون دانه‌اي در محلول حك كننده، حل مي‌شود و در نتيجه وقتي كه جسم را زير ميكروسكوپ مشاهده مي‌نمائيم مرز دانه‌ها تيره‌تر از خود دانه‌ها نمايان مي‌شوند.
گرماي ذوب و انجماد

در درجه‌ي حرارت صفر مطلق (273-) اتم‌هاي يك ماده‌ي كريستالي بي‌حركت در محل‌هاي شبكه‌ي خود قرار گرفته و به اصطلاح يخ مي‌زنند. با حرارت دادن به اين ماده‌ي يخ زده از خارج، اتم‌ها در همان محل خود به ارتعاش در مي‌آيند. هر چه درجه‌ي حرارت بالاتر رود، دامنه‌ي نوسان ارتعاش اتم‌ها افزايش مي‌يابد و در نتيجه انرژي داخلي آن با بالا رفتن درجه‌ي حرارت افزايش مي‌يابد. وقتي دما به حد معيني رسيد، دامنه‌ي نوسان اتم‌ها به قدري زياد مي‌شود كه بر انرژي شبكه فائق آمده و شبكه به هم مي‌ريزد و بلور ذوب مي‌شود. بنابراين عمل ذوب به علت ضعيف شدن يا شكسته شدن اتصال‌هايي است كه يون‌ها، اتم‌ها و يا مولكلو‌ها را متصل به هم نگه مي‌دارد. هر ماده‌اي براري ذوب شدن به مقدار ميني انرژي احتياج دارد. اين انرژي را «گرماي ذوب» يا به عبارتي «گرماي نهان ذوب» مي‌نامند.حرارت دادن در درجه‌ي حرارت‌هاي بالا (نزديك به نقطه‌ي ذوب) نه تنها باعث به وجود آمدن ارتعاشات حرارتي مي‌شود، بلكه تعداد زيادي جاي خالي توليد مي‌كند. وقتي جاهاي خالي براي مثال در يك ساختار كريستالي متراكم ـ به حدي رسيد كه باعث به هم خوردن عدد هماهنگي شد، در نتيجه نظم آرايشي اتمي از بين مي‌رود و يك بي‌نظمي يا آشوب در آن به وجود مي‌آيد. در دماي ذوب بي‌نظمي حاصل از ذوب، حجم بسياري از مواد را افزايش مي‌دهد.از آنجا كه گرماي ذوب، انرژي لازم براي ايجاد بي‌نظمي در يك مُل از اتم‌هاي ماده است، درجه‌ي حرارت ذوب مقياسي براي اندازه‌گيري استحكام پيوند اتمي است. جدول (2-١) درجه‌ي حرارت ذوب و گرماي ويژه‌ي تعدادي از مواد فلزي را نشان مي‌دهد.

جدول 1-2: درجه حرارت و گرماي ذوب چند فلز

نام فلز
درجه حرارت ذوب
گرماي ذوب يا گرماي تبلور J/g.Atom
تنگستن
(W)
3387
32000
موليبدن
(Mo)
2623
28000
كُرُم
(Cr)
1863
21000
تيتان
(Fi)
1672
21000
آهن
(Fe)
1538
15300
نيكل
(Ni)
1455
17900
مس
(Cu)
1084
13500
آلومينيوم
(Al)
660
10500
منيزيم
(Mg)
649
9000
روي
(Zn)
419
6600
سرب
(Pb)
327
5400

برعكس در موقع تبديل حالت مايع به جامد يعني در هنگام انجماد، مقداري گرما يا به عبارتي انرژي حرارتي آزاد خواهد شد. اين مقدار انرژي آزاد شده كه به عنوان «گرماي انجماد» يا «گرماي تبلور» (گرماي كريستاليزاسيون) ناميده مي‌شود، برابر گرماي ذوب است.براي مثال انجماد سرب را در نظر مي‌گيريم: انجماد سرب به طور ناگهاني انجام نمي‌گيرد، بلكه نسبت به مقدار مذاب و شرايط خارجي سرد شدن كم و بيش به مدت زماني نياز داردکه این مورد بررسی می شود . در ابتدا تمامي سرب به حلات مذاب است زيرا كه درجه‌ي حرارتش بالاي ٣٢٧ (نقطه‌ي انجماد)، قرار دارد. به محض اينكه درجه‌ي حرارت مذاب به دماي انجماد رسيد، جوانه‌زني در داخل مذاب شروع مي‌شود و جوانه‌ها به مرور رشد مي‌كنند و متناسب با شكل‌يگري و رشد جوانه‌هاي كريستالي گرماي انجماد آزاد مي‌شود (گرماي تبلور) كه از كاهش درجه‌ي حرارت جلوگيري مي‌كند. با ادامه‌ي عمل انجماد از يك طرف كريستال‌هاي به وجود آمده رشد مي‌كند و از طرف ديگر كريستال‌هاي جديدي به وجود مي‌آيد و مرتب از مقدار مذاب كاهش يافته و به مقدار جامد افزوده مي‌شود . و بالاخره تمام سرب منجمد خواهد شد و چون در داخل سرب ديگر حرارت اضافي آزاد نمي‌شود، درجه‌ي حرارت شروع به پائين آمدن مي‌كند .برعكس موقعي كه سرب جامد حرارت داده شود و به نقطه‌ي ذوب (٣٢٧) برسد بايد به سرب جامد گرماي ذوب به مقدار J/g pb٩/٢٣ داده شود تا اينكه تمامي سرب جامد به حالت مايع در آيد. به همين جهت است كه در نمودار گرم كردن نسبت به زمان براي يك فلز خالص نقطه‌ي ذوب به صورت خط افقي (خط ثابت درجه‌ي حرارت) نمايان مي‌شود.براي اينكه اين درجه‌ي حرارت ثابت در نمودار سرد كردن نيز با دماي انجماد مطابقت كند لازم است كه سرد كردن تا حد امكان به آرامي انجام گيرد. در غير اين صورت مذاب مقداري بيشتري سرد مي‌شود و بدين ترتيب كه متبلور شدن ابتدا در درجه‌ي حرارت‌هاي پائين‌تر از نقطه‌ي ذوب شروع مي‌شود. موقعي كه سرعت سرد كردن چندان زياد نباشد، درجه‌ي حرارت مذاب مقداري پائين‌تر از نقطه‌ي انجماد آمده و مجدداً هنگامي كه گرماي انجماد آزاد مي‌شود درجه‌ي حرارت بالا مي‌رود. چنانچه سرعت سرد كردن بسيار زياد باشد، گرماي آزاد شده به اندازه‌اي نيست كه بتواند مذابي را كه زيادتر از نقطه‌ي انجماد (٣٢٧) سرد شده مجدداً به دماي انجامد برساند. در اينجا درجه‌ي حرارت ثابت در نمودار سرد كردن مي‌تواند به طور قابل ملاحظه‌اي از درجه‌ي حرارت حقيقي ذوب پائين‌تر باشد.اين پديده مي‌تواند همچنين در موقع سرد كردن بسيار آرام مذاب ظاهر شود و غالباً موقعي پيش مي‌آيد كه ايجاد اولين جوانه‌هاي تبلور به عللي كند شود و يا مانعي براي به وجود آمدن آن‌ها پيش آيد كه به وسيله‌ي به هم زدن مذاب يا اضافه كردن كريستال‌هاي بسيار كوچك از همان فلز (تقريباً معادل يك نوع تلقيح) مي‌توان از اين نوع پائين آمدن درجه‌ي حرارت انجماد جلوگيري به عمل آورد.
متالوژيكي

فلزات و آلياژها جامداتي كريستالي هستند، بدين معني كه اتم‌هاي يك فلز در شبكه‌هاي معيني قرار دارند كه از تكرار آن‌ها جامد فلزي حاصل مي‌گردد. متداول‌ترين شبكه‌هاي فلزي به شكل زير مي‌باشند:
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] مكعبي مركز‌دار: مانند ساختمان شبكه آهن و چدن همان‌طور كه در شكل مشخص است صفحات به يك اتم مركزي متصل مي‌شود.
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] مكعبي با وجوه مركزدار مانند فولادهاي زنگ نزن آستيني، هر صفحه بطور جداگانه يك اتم دارد.
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] منشور فشرده (هگزاگونال پردانستيته) مانند منيزيم
نكته: خواص فلزي با خواص جامدات كريستالي ديگر مثل سراميك‌ها و نمك‌هاي شيميائي ديگر فرق دارد. فلزات انعطاف‌پذير هستند يعني مي‌توان آن‌ها را تغيير شكل داد و همچنين هدايت الكتريسيته و گرمائي خوبي دارند. اين خواص به علت پيوندهاي غيرجهت‌دار بين اتم‌ها در فلزات مي‌باشد.
مرزدانه

به هر كريستال اصطلاحاً دانه گويند كه مجموعه دانه‌ها در مرحله ريختگري وقتي كه فلز منجمد مي‌شود، و همچنين در حالت مذاب تمايل به تشكيل و به دست آوردن نظم فلز منجمد مي‌شود و همچنين در حالت مذاب تمايل به تشكيل و به دست آوردن نظم حالت جامد را دارند. فصل مشترك بين دو دانه را مرزدانه گويند. اين مرزها پرانرژي و از نظر شيمائي فعال‌تر مي‌باشند. به همين دليل خوردگي فلزات از اين مرزها شروع مي‌شود و با تيره شدن رنگ آثار خوردگي را نمايان مي‌كنند.
آلياژها

آلياژها مخلوط‌هائي از دو يا چند فلز يا عنصر مي‌باشند كه به دو دسته كلي تقسيم مي‌شوند:
آلياژهاي همگن يا محلول‌هاي جامد Solid solution
در اين آلياژها اجزا به هر نسبت در يكديگر حل مي‌شوند و آلياژ تنها از يك فلز تشكيل مي‌شود مانند فولاد زنگ نزن ٨-١٨ كه يك محلول جامد نيكل، كرم، در آهن مي‌باشد.
آلياژهاي غيرهمگن
مخلوط‌هاي از دو يا چند فلز جداگانه مي‌باشد. عناصر تشكيل‌دهنده اين آلياژها به طور كامل در يكديگر حل نشده و به صورت فازهاي جداگانه وجود دارند. تركيب و ساختمان داخلي اين آلياژها يكنواخت نمي‌باشد.
مانند فولاد كربن كه كربن با تعدادي از اتم‌هاي آهن تركيب شده و كاربيد آهن مي‌دهد. كاربيد آهن معمولاً به صورت لايه لايه‌اي ظاهر مي‌شود.
معايب و مزاياي آلياژها

آلياژهاي همگن معمولاً انعطاف‌پذيرتر بوده و داراي استحكام كمتري نسبت به آلياژهاي غيرهمگن هستند.آلياژهاي همگن معمولاً از نظر خوردگي مقاوم‌تر از آلياژهاي غيرهمگن مي‌باشند.تفاوت‌هاي ديگر در فلزات ممكن است ماهيت شيميائي، متالوژيكي، يا مكانيكي داشته باشند كه در زير نام برده مي‌شوند:
ناخالصي‌هايي مثل اكسيدها و آخال‌ها Inclusions و پوسته‌هاي اكسيدي Mill-scale
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] جهت قرار گرفتن دانه‌ها
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] تجمع‌هاي نابجايها
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] غيريكنواختي تركيب شيميائي در ساختمان ميكروسكوپي
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] سختي Hardness: مقاومت جسم در برابر نفوذ اجسام ديگر
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] انعطاف‌پذيري (Ductility): مقاومت جسم در برابر تغيير شكل است يعني اينكه در برابر نيروهاي وارده بدون تسليم مقاومت نمايد.
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] سفتي Toughness: عبارت است از قابليت يك جسم به جذب انرژي در هنگام تغيير شكل بر اثر نيروهاي برشي و خنثي بدون اينكه بشكند تحمل كند مانند فنر مس.
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] تنش Stress: نيرو يا باري كه بر جسمي وارد مي شود تنش‌هايي در داخل جسم ايجاد مي‌كند كه شدت نيروي ايجاد شده در هر نقطه در داخل جسم مي‌باشد و از اين رابطه محاسبه مي‌شود
تنش برحسب نوع نيروي وارده به سه دسته زير تقسيم مي‌شود:
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] تنش فشاري Compressive. St كه موجب به هم فشردن جسم مي‌شود.
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] تنش كششي Tensile-St كه موجب جدا شدن و كشش جسم مي‌شود.
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] تنش برشي Shear-St كه موجب لغزش يا سريدن دو قسمت نسبت به هم شوند.
· نكته ديگر كه در مورد متالوژيكي فلزات بايد به آن اشاره نمود اين است كه فلزات خالص از نظر خوردگي مقاوم‌تر از انواع تجاري آن‌ها كه درصد خلوص كمتري دارند مي‌باشند.
نقص های شبکه ای

ساختارهای بلوری جامدات که از انجماد مایعات حاصل می شود دچار نقص هایی می شوند که عموما" در سطح اتمی ظاهر می شوند یعنی ساختار بلور از حالت کامل و بی عیب خارج می شوند که در این مبحث پیرامون این عیوب بحث خواهد شد . عامل بروز این عیوب ممکن است یک اتم یا دسته کوچکی از اتم ها باشند . کلیه نقص ها و عیوب شبکه ای را می توان در سه دسته کلی برسی نمود که عبارتند از :
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] نقص های نقطه ای Point defects
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] نقص های خطی یا نابجایی Line defects or Dislocations
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] نقص های صفحه ای یا مرزدانه ای Grain boundary or Area defects
نقص های نقطه‌اي

این عیوب به سه صورت کلی مشاهده می شوند :
عیوب جاهای خالی Vacancies
عيب شوتكي
عیب بین نشینی Interstitials
عيب جانشيني
عيب فرنكل
عيوب جاهاي خالي

محل‌هاي خالي اتمي در شبكه‌ي كريستالي از مهمترين و ساده‌ترين عيوب نقطه‌اي هستند شكل (3-2). چنين عبوري مي‌تواند در مواقع انجماد (بخصوص سرد كردن با سرعت زياد از درجه حرارت‌هاي بالا)، تغيير شكل، اشعه دادن با اشعه‌اي انرژي زيادي است و يا در درجه حرارت‌هاي بالا به وجود آيد. محل خالي را در شبكه‌ي كريستالي معمولاً‌ با علامت o مشخص مي‌كنند. البته هر كريستال در شرايط تعادلي خود داراي تعدادي جاي خالي است كه تعداد اين جاهاي خالي قابل محاسبه است.

شكل 3-2 محل خالي در شبكه‌ي كريستالي

براي به دست آوردن يك محل خالي بايد يك اتم را به طريقي از محل خود در شبكه خارج سازيم. بدين منظور مقداري انرژي لازم است كه انرژي تشكيل محل خالي ناميده مي‌شود. محل‌هاي خالي در حالت تعادل ترموديناميكي در موقع گرم كردن كريستال‌ها به وجود مي‌آيد. بدين صورت كه مي‌تواند در اثر ارتعاشات حرارتي اتم‌ها، در درجه حرارت‌هاي بالا به وجود آيد، زيرا كه در اثر اين افزايش انرژي حرارتي احتمال خارج شدن بعضي از اتم‌ها از موقعيت پائين‌ترين سطح انرژي خود بيشتر مي‌شود. بنابراين ايجاد يك محل خالي نه فقط با افزايش انرژي داخلي سيستم، بلكه همچنين با افزايش آنتروپي همراه است به طوري كه يك كريستال معيوب در مقايسه با يك كريستال ايده‌ال، انرژي كمتري دارد. هرگاه كريستالي را با حجم معين، در درجه‌ي حرارت مشخص در نظر بگيريم، طبق قوانين ترموديناميك اين كريستال موقعي در پايدارترين حالت خود است كه انرژي آزاد آن به حداقل ممكن برسد. در ترموديناميك طبق تعريف، انرژي آزاد برابر است با:

F= U-TS 1-2

در اين رابطه:
=F انرژي آزاد كريستال،
=U انرژي كريستال،
=T درجه‌ي حرارت كريستال
=S آنتروپي

تأثير تعداد محل‌هاي خالي بر هر يك از عوامل طرف راست رابطه‌ي فوق را مي‌توان به طور كمي محاسبه كرد. مسئله‌ي عمده، يافتن تعداد محل‌هاي خالي در شرايطي است كه كريستال داراي حداقل مقدار انرژي F و T ثابت است. زيرا درجه‌ي حرارت كريستال، درجه‌ي حرارت مشخصي در نظر گرفته شده است. مقدار آنتروپي (S) به ميزان بي‌نظمي كريستال بستگي دارد. هرچه درجه‌ي بي‌نظمي بالاتر باشد، آنتروپي زيادتر است. اما وجود محل‌هاي خالي در كريستال ايجاد بي‌نظمي مي‌كند و افزايش تعداد محل‌هاي خالي موجب بالا رفتن آنتروپي مي‌شود. بنابراين افزايش تعداد محل‌هاي خالي كميت TS را افزايش مي‌دهد و افزايش S چنانچه از رابطه‌‌ي نتيجه مي‌شود موجب كاهش انرژي آزاد (F) خواهد شد.
عيوب شوتكي

عيوب شوتكي از جمله‌ي عيوب نقطه‌اي بوده كه در كريستال‌هاي با پيوندهاي يوني يافت مي‌شود. محل خالي مي‌تواند يون مثبت و يا يون منفي باشد، شكل (٤-٢). هرگاه يك يا چندين بار الكتريكي موجود نباشد و يا زيادتر موجود باشد در اين حالت صحبت از يك محل خالي آنيوني يا كاتيوني مي‌شود. چنين عيبي مي‌تواند همچنين بدين طريق به وجود آيد كه يك اتم باردار شبكه به وسيله يك اتم ديگر با بار ظرفيت كمتر يا بيشتر جايگزين شود، براي مثال به جاي و يا در شبكه به سويله جايگزين مي‌شود و يا همچنين به واسطه‌ي انحراف از قانون نسبت‌هاي معين در كريستال‌هاي يوني كه معمولاً در آن‌ها محل خالي موجود مربوط به كمبود يكي از عناصر تشكيل‌دهنده‌ي كريستال نسبت به قانون نسبت‌هاي معين است (براي مثال موقعي كه اكسيد آن به صورت FeO نبوده بلكه به صورت باشد). بدين ترتيب در يك موضع در شبكه يك بار مثبت يا منفي زيادتر به وجود مي‌آيد.

شكل (4-2): عيب شوتكي در كريستال NaCl

عيب بين‌نشيني

نوع ديگر از عيوب نقطه‌اي، عيب بين‌نشني است كه در اثر قرار گرفتن يك اتم در فضاي موجود بين اتم‌هاي شبكه به وجود مي‌آيد. شرط اوليه براي قرار گرفتن يك اتم ثالث به صورت بين‌نشيني در بين اتم‌هاي شبكه‌ي اصلي به اندازه‌ي كافي كوچك‌تر بودن شعاع اتمي آن از اتم‌هاي اصلي شبكه است. براي مثال مي‌توان قرار گرفتن اتم‌هاي كربن در شبكه‌ي مكعب با وجوه مركزدار آهن را نام برد. اين گونه عيوب مي‌تواند باعث كجي يا تغيير شكل موضعي در ساختار شبكه‌ي كريستال شود، شكل (5-2). عيب بين‌نشيني بيشتر در شبكه‌هايي با ضريب تراكم پائين ديده مي‌شود.

شكل (5-2)؛: عيب بين‌نشيني به هم ريختن شبكه‌ي آهن در اطراف اتم كربن در بالاي 920

عيب جانشيني

اتم‌هاي ناخالصي‌هاي موجود در يك كريستال ممكن است در محل‌هاي خالي به جاي اتم‌هاي شكبه و يا در فضاهاي موجود بين اتم‌هاي شبكه قرار گيرد كه در حالت اول شعاع اتم جانشيني مي‌تواند تقريباً‌ شعاع اتم‌هاي اصلي شبكه باشد. (شكل 6-2)

شكل (6-2): عيب جانشيني (الف) اندازه‌ي اتم جانشيني كوچك، (ب) اندازه‌ي اتم جانشيني بزرگ

عيب فرنكل

وجود يك محل خالي با يك عيب بين‌نشيني همراه با هم در يك شبكه‌ي كريستالي عيب فرنكل ناميده مي‌شود، شكل (7-2).ساختارهاي كريستالي با شبكه‌ي متراكم، عيوب بين‌نشيني و فرنكل كمتري نسبت به عيوب محل خالي و عيوب شوتكي دارد زيرا براي انتقال اتم‌هاي جديد به درون محل‌هاي جديد انرژي زيادي لازم است.يكي از روش‌هايي كه امروزه براي ايجاد محل خالي استفاده مي‌شود، اشعه دادن با ذرات داراي انرژي زياد از جمله نوترون‌ها و الكترون‌هاست. مكانيزم آن بدين ترتيب است كه يك ذره‌ي اوليه (نوترون يا الكترون) يا انرژي زياد به يك اتم برخورد داده مي‌شود، در اين برخورد مقداري انرژي كه بيش از انرژي پيوند بين اتمي در شكبه است از ذره به اتم منتقل مي‌شود. در اثر اين برخورد و دريافت مقداري انرژي اتم، محل خود در شبكه را ترك كرده و به يك فضاي خالي موجود بين اتم‌هاي ديگر مي‌رود و بدين ترتيب عيب فرنكل به وجود مي‌آيد. چنانچه انرژي منتقل شده توسط ذره به يك اتم بسيار بزرگ‌تر از انرژي اتصال در شبكه باشد اتم برخورد شده به نوبه‌ي خود مي‌تواند اتم يا اتم‌هاي ديگري را از محل خود رد شبكه خارج سازد و بدين ترتيب يك نوترون يا مقداري انرژي در حدود يك مگاولت، مي‌تواند تا حدود ١٠٠٠ عيب فرنكل را به وجود اورد تعداد محل خالي به وجود آمده بستگي به نوع ذره، انرژي و مقدار جريان آن (تعداد بر در ثانيه) خواهد داشت.

شكل (7-2): عيب فرنكل

اما شايان ذكر است كه وجود عيوب نقطه‌اي يا محل‌هاي خالي مزاياي خواهد داشت و باعث ساده‌تر انجام گرفتن پديده‌ها و فعل و انفعالاتي مي‌شود كه در ذيل به چند مورد آن اشاره مي‌شود.محل‌هاي خالي، از عيوبي است كه پديده‌ي نفوذ را آسان‌تر مي‌كند. براي مثال در آبكاري و سخت كردن سطحي فولادها و آلياژها از آن استفاده صنعتي مي‌شود.ديگر اينكه ايجاد عيوب نقطه‌اي سبب بروز تغييراتي در رنگ كريستال مي‌شود. بدين منظور هرگاه يك الكترون در يك محل خالي آنيوني قرارگ يرد و توزيع بار الكتريكي را متعادل سازد، مي‌تواند يك مركز رنگ را به وجود آورد، شكل (8-2). براي مثال مقوعي كه كريستالNaCl با اشعه‌ي X (رنتگن) اشعه اده شود رنگ آن زرد و كريستال KCl آبي رنگ مي‌شود كه اين پديده را مي‌توان نتيجه‌ي تشكيل يك عيب نقطه‌اي دانست. (براي مثال رفتار هالوژنيدهاي نقره مانند AgCl و AgBr نيز به اين علت است). در اين تركيبات به وسيله‌ي اشعه دادن يا امواج الكترومغناطيسي و همچنين با نور مرئي عيب نقطه‌اي به وجود مي‌آيد.

شكل (8-2): در يك محل خالي آنيوني در كريستال NaCl يك الكترون قرار گرفته است.

چون يون‌هاي به عنوان اتم‌هاي بين‌نشيني بسيار متحرك است به طرف محل جوانه‌ها، كه در عمل ظهور به عنوان نقاط شروع براي احياي كريستال‌ها در محلول مايع ظهور عمل مي‌كند، حركت مي‌كند، سياه شدن در نتيجه‌ي تشكيل فلز غيرشفاف فقط در كريستال‌هاي معيوب ظاهر مي‌شود. بنابراين عيوب نقطه‌اي شرط اوليه براي فتوگرافي است. تفاوت كريستال‌هاي هالوژنيدهاي نقره با كريستال‌هاي يوني ديگر اين است كه با اشعه‌ي نور مرئي كه داراي انرژي نسبتاً پائيني است، در آن‌ها عيوب نقطه‌اي به وجود مي‌آيد.استفاده‌ي صنعتي ديگري كه از وجود عيوب نقطه‌اي يا محيط‌هاي خالي در كريستال‌ها مي‌شود، ساخت بلورهاي نيمه عايق و يا نيمه هادي است. بدين ترتيب كه با قرار دادن مقدار كمي ناخالصي در بين لايه‌هاي يك بلور يوني عايق مي‌توان آن را به يك نيمه هادي تبديل كرد.وجود ناخالصي و در نتيجه نقايصي كه در كريستال به وجود مي‌آيد تأثير قابل توجهي روي خواص فيزيكي (خواص الكتريكي، مغناطيسي، مكانيكي و نوري) خواهد داشت. همان‌طور كه مي‌دانيم بعضي از كريستال‌هاي خالص عايق الكتريسيته هستند ولي در شرايط ويژه‌اي با درجه‌ي كمتري در مقايسه با فلزات، هادي الكتريسيته مي‌شوند. اين نوع كريستال‌ها را نيمه هادي مي‌نامند.براي مثال مي‌توان عنصر ژرمانيم و يا سيليسيم را نام برد كه در حالت خالص عايق الكتريسيته هستند. زيرا ساختاري شبيه به ساختار الماس دارند و در آن هر اتم ژرمانيم با پيوندهاي كووالانسي به چهار اتم ژرمانيم ديگر متصل است. هرگاه ژرمانيم را ذوب كرده و به آن مقدار بسيار كمي As (يا P و Sb و Bi) اضافه كنيم پس از متبلور شدن تعدادي از اتم‌هاي As در شبكه‌ي بلور ژرمانيم وارد مي‌شود. از پنج الكترون ظرفيتي اتم آرسنيك چهار تاي آن در چهار پيوند كوولانس با اتم‌هاي ژرمانيم شركت مي‌كند و الكترون پنجم آزاد باقي مي‌ماند كه مي‌تواند جابجا شده و هدايت الكتريكي را سبب شود.البته همچنين ممكن است به ژرمانيم و يا سيليسيم ذوب شده مقدار كمي گاليم (و يا B، Al و In) كه سه الكترون ظرفيتي دارد اضافه كرد. پس از متبلور شدن محلول تعدادي از اتم‌هاي گاليم در شبكه‌ي بلور ژرمانيم وارد مي‌شود. در اينجا هر اتم گاليم كه به جاي يك اتم ژرمانيم در بلور جاي گرفته است تنها مي‌تواند در سه پيون كووالانسي با سه اتم ژرمانيم مجاور خود شركت كند. در نتيجه پيوند كواوالانسي چارم بين اتم گاليم و اتم ژرمانيم تنها يك الكترون دارد كه در نتيجه اين پيوند يك الكترون ديگر كم دارد. اين كمبود الكترون مي‌تواند از پيوند كووالانسي مجاور با حركت يكي از الكترون‌ها رفع شده و به پيوند كووالانس مجاور انتقال يابد. به عبارت ديگر چنين بلورهايي مي‌تواند جريان الكتريسيته را در جهت عكس حركت كمبود الكترون از خود عبور دهد. اين نوع كريستال‌ها نوع ديگري از نيمه هادي‌ها هستند كه به علت كم داشتن الكترون ظرفيتي از نيمه هادي‌هاي نوع مثبت هستند. نيمه هادي‌ها در صنايع الكترونيك و در ساخت ترانزيستورها استفاده مي‌شوند.
عيوب خطي

هرگاه نقصی در طول یک خط ادامه پیدا کند آن را نقص خطی می نامند.این نقص ها نابجای های هستند که در کریستال جامدات در نتیجه از شکل افتادگی در اطراف یک خط ایجاد می شوند . این نقص ها بر خواص مواد مانند مقاومت اثر می کنند که به سه شکل ذیل مشاهده می شوند :

[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] نابجایی لبه ای یا گوه ای Edge Dislocations
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] نابجایی پیچی Screw Dislocations
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] نابجایی مختلط
نابجايي لبه‌اي ياگوه ای

در شبكه‌ي كريستالي نابجايي‌ها عيوبي هستند كه در امتداد يك خط در شبكه ديده مي‌شوند، بدين جهت است كه جزء عيوب خطي به شمار مي‌آيند. شكل (٤-٩) يك عيب خطي يا نابجايي لبه‌اي را نشان مي‌دهد.

شكل (9-2): آرايش اتمي در يك نابجايي لبه‌اي (خطي)

نابجايي لبه‌اي را مي‌توان از نظر هندسي انتهاي يك نيم صفحه‌ي اتمي اضافي كه بين دو صفحه‌ي اتمي از يك شبكه قرار گرفه و يا به عبارت ديگر عدم وجود يك قسمت از صفحه‌ي اتمي در شبكه‌ي كريستالي فرض كرد. بدين صورت در شبكه نقايصي به نام طوط نابجايي به وجود مي‌آيد. يك خط نابجايي را با علامت «» نشان مي‌دهند. در اين علامت خط عمود در جهت نيم صفحه‌اي اضافي است و خط افقي صفحه‌ي اتمي شبكه را (در مبحث تغيير شكل صفحه‌ي لغزشي مي‌ناميم) كه عمود بر آن است نشان داده و خط نابجايي همان فصل مشترك اين دو صفجه است. كميتي كه براي تعيين مقدار و جهت اين عيب به كار مي‌رود يك كميت برداري است كه به نام «بُردار برگز» (b) ناميده مي‌شود مقدار و جهت اين بُردار به كمك طي مسيري حول خط نابجايي تعيين مي‌شود. بدين منظور نقطه‌اي را براي شروع مسير بر روي شبكه انتخاب كرده و همان‌گونه كه در شكل (9-2) نشان داده شده فواصل اتمي مساوي را در جهات قائم و افق (به نام دور برگز) طي مي‌كنيم. بُرداري كه نقطه‌ي پايان مسير را به شروع وصل مي‌كند، بردار برگزر را نشان مي‌هد. چنانچه شبكه‌ي كريستال فاقد اين نقص مي‌بود در انتهاي مسير با تعداد فواصل اتمي مساوي در تمام جهات به نقطه‌ي شروع مي‌رسيديم. اندازه‌ي اين بُردار مضرب صحيحي از واحد شبكه و جهت آن عمود بر خط نابجايي است. بعداً در فصل خواص مكانيكي خواهيم ديد كه حركت اين گونه نابجايي موجب لغزش در عمليات تغيير شكل پلاستيكي خواهد شد.نسبت به جهاتي كه خطوط نابجايي و بُردار برگرز با يكديگر دارند نابجايي‌ها به نابجايي لبه‌اي. نابجايي پيچي و نابجايي مختلط تقسيم‌بندي مي‌شوند. در نابجايي لبه‌اي بُردار برگرز عمود بر خط نابجايي است.

نابجايي پيچي
شكل (10-2) يك نابجايي پيچي را نشان مي‌دهد. اين نابجايي بدين جهت پيچي ناميده مي‌شود كه صفحات اتمي عمود بر خط نابجايي كاملاً جدا از يكديگر نبوده، بلكه يك سطح پيچ را نشان مي‌دهد و يا مي‌توان چنين تصور كرد كه دو قسمت از يك شبكه‌ي كريستالي در جهت مخالف بر روي يكديگر لغزيده است به طوري كه اين لغزش تنها بر روي يك صفحه در جهت موازي خط نابجايي به اندازه‌ي يك فاصله‌ي اتمي انجام گرفته و اتم‌ها مجدداً در دريف هم قرار مي‌گيرند و بدين ترتيب نابجايي پيچي به وجود مي‌آيد.

شكل (10-2): نابجايي پيچي

پيمودن يك دور برگرز به همان‌گونه كه در نابجايي لبه‌اي گفته شد نشان مي‌دهد كه در نابجايي پيچي بُردار برگرز موازي خط نابجايي است و مقدار آن برابر گام پيچ است.
نابجايي مختلط

تمام نابجايي‌هاي مختلط از پيوستن نابجايي‌هاي لبه‌اي و پيچي به يكديگر به وجود مي‌آيند. حالات مختلف اين نابجايي به زاويه‌ي بين بردار برگرز با خط نابجايي بستگي دارد. يك دور برگرز شامل چندين نابجايي شود بدين ترتيب بُردار برگزي كه از آن نتيجه مي‌شود برابر حاصل جمع بُردار برگرزهاي هر يك از نابجايي‌ها است.
عيوب صفحه‌اي

نقص ها می توانند در شبکه کریستالی در دو بعد یعنی در یک صفحه باشند . مهمترین این نقص ها در مرز دانه های کریستال مشاهده می شوند این نقص ها به شکل های ذیل مشاهده می شوند :
[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] عيب لايه‌اي

[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] عیب در مرزدانه‌ها

[IMG]file:///C:/DOCUME~1/bensaeid/LOCALS~1/Temp/msohtml1/03/clip_image001.png[/IMG] عیب فضایی
عيب لايه‌اي

عيب لايه‌اي از قرار گرفتن بدون نظم و ترتيب صفحات اتمي بر روي يكديگر به وجود مي‌آيد. بدين ترتيب كه در قسمتي از كريتسال يكي از لايه‌ها وجود ندارد. براي مثال در سيستم هگزاگونال متراكم تكرار صفحات به صورت ABBABAB… در مي‌آيد. در صورتي كه تكرار عادي لايه‌ها به صورت ABABAB… است و يا در سيستم مكعب با وجوه مركزدار با وجود اين عيب تكرار صفحات اتمي به صورت ABCBCABC… در مي‌آيد. در صورتي كه تكرار منظم لايه‌هاي اتمي در اين نوع سيستم به صورت ABCABCABC… است. همان‌طور كه مشاهده مي‌شود در هر دو حالت فوق صفحه‌ي اتمي A در قسمتي از كريستال وجود ندارد.
مرزدانه‌ها

يكي ديگر از عيوب دو بُعدي كه اهميت زيادي در خواص مكانيكي مواد دارد، مرزدانه‌هاست. چنانچه مي‌دانيم تقريباً تمام مواد شامل تعداد زيادي دانه‌هاي بلورند و يا به عبارتي ديگر چند كريستالي[2] هستند و جهت‌گيري آرايش اتمي يا شبكه‌ي كريستالي در دانه‌هايي كه مجاور يكديگر قرار گرفته‌اند، متفاوت است. هر يك از دانه‌ها با مرزهايي از دانه‌هاي مجاورش جدا شود، شكل (٢-١١) مرزدانه‌ها را نمايان مي‌سازد. چنانچه اين شكل نمايان مي‌سازد نوع شبكه در هر دانه يكسان است، اما جهت‌گيري شبكه‌ها متفاوت است.

شكل (11-2): (الف) مرزدانه‌ها در ساختار ميكروسكوپ، (ب) تصوير شماتيكي از دانه ـ مرزدانه‌ها

عيب فضايي

عيوب فضايي يا سه بُعدي فضاهاي خالي ميكروسكوپي و ماكروسكوپي (مانند حفره‌هاي انقباضي كوچك داخلي، حفره‌هاي ريز سطحي كه در اثر خروج گازها پديد مي‌آيد، ترك‌هاي مويي و از اين قبيل عيوب) است. براي مثال، در اثر تأثير متقابل چندين نابجايي مخصوصاً موقعي كه تحت تأثير بارهاي خارجي متناوب قرار گيرد، يك شكاف ريز به وجود مي‌آيد.تنها عيوب ساده جاي خالي مي‌تواند در حالت تعادل حرارتي به وجود آيد در صورتي كه بقيه‌ي عيوب شبكه‌اي كه از لحاظ ترموديناميكي در حالت تعادل نيستند تحت تأثير عوامل خارجي تشكيل مي‌شوند. بدين ترتيب مرزدانه‌ها مي‌توانند در كريستاليزاسيون يا هنگام انجماد و نابجايي‌ها در موقع تغيير شكل پلاستيكي به وجود آيند.

[1]. Cyrstallisation

[2]. Polycrystal