Các cấu trúc tinh thể trình bày ở trên là cấu trúc của tinh thể lý tưởng vì khi xét đ∙ bỏ qua dao động nhiệt và các sai hỏng (lệch lạc) trong trật tự sắp xếp của các nguyên tử (ion, phân tử ). Trong thực tế không phải 100% nguyên tử đều nằm
đúng vị trí quy định, gây nên nhữ ng sai hỏng được gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng. Tuy số nguyên tử nằm lệch vị trí quy định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 1 ữ 2%) song gây ra các ảnh hưởng rất xấu đến các hành vi của tinh thể dưới tác dụ ng của ngoại lực (biến dạng dẻo, biến cứng...) tức đến độ bền - chỉ tiêu cơ tí nh hàng đầu, nên việc khảo sát các sai lệch này có ý nghĩa lý thuyết và thực tế lớn lao, không thể bỏ qua.
Phụ thuộc vào kí ch thước theo ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia thành: điểm, đường và mặt.
1.5.1. Sai lệch điểm
Đó là loại sai lệch có kí ch thước rất nhỏ (cỡ kí ch thước nguyên tử ) theo ba chiều không gian, có dạng bao quanh một điểm. Hình 1.17 trình bày tổng quát các dạng sai lệch điểm này.
a. Nút trống và nguyên tử tự xen kẽ
Trong mạng tinh thể của chất rắn luôn luôn tồn tại các nút trống và nguyên tử xen kẽ nằm giữ a các nút mạng gọi tắt là nguyên tử tự xen kẽ như trình bày ở hình 1.17a. Trong tinh thể, nguyên tử luôn bị dao động nhiệt quanh vị trí quy
định gọi là vị trí cân bằng. Do ba động nhiệt (phân bố năng lượng không đều) một số nguyên tử có năng lượng cao, biên độ dao động lớn có khả năng bứt khỏi nút
35 mạng để lại nút không có nguyên tử gọi là nút trống. Sau khi rời khỏi nút mạng, nguyên tử có thể chuyển sang vị trí xen kẽ giữ a các nút mạng trở thành nguyên tử tự xen kẽ (hay ra vị trí cân bằng trên bề mặt).
Hình 1.17. Các dạng sai lệch điểm: nút trống và nguyên tử tự xen kẽ (a) và các nguyên tử tạp chất (b).
Mật độ của nút trống phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm mũ ( KT
Q
e− ), nên tăng rất nhanh theo nhiệt độ và có giá trị lớn nhất khi sắp chảy lỏng. Nút trống có ảnh hưởng lớn đến cơ chế và tốc độ khuếch tán của kim loại và hợp kim ở trạng thái rắn.
b. Nguyên tử tạp chất
Trong thực tế không thể có vật liệu hoặc kim loại sạch tuyệt đối (thường sạch nhất cũng chỉ đạt 99,99 hay 99,999% là cùng). Phụ thuộc vào kí ch thước, nguyên tử lẫn vào (thường gọi là tạp chất) có thể thay thế các nguyên tử nền ở nút mạng hoặc xen giữ a các nút (khác với loại tự xen kẽ ở mụ c1.5.1a) như biểu thị ở h×nh 1.17b.
Do sự sai khác về đường kí nh nguyên tử giữ a các nguyên tố nền và tạp chÊt
nên khi thay thế cho nhau bao giờ cũng làm cho mạng của nền gi∙n nở ra hay co rút lại gây nên sai lệch có dạng bao quanh một điểm. Còn khi xen kẽ (hay tự xen kẽ) bao giờ cũng làm mạng nền gi∙n ra vì kí ch thước lỗ hổng luôn nhỏ hơn đường kí nh nguyên tử . Các nguyên tử nền xung quanh lỗ hổng có khuynh hướng xí ch lại gần nhau. Trong nhiều trường hợp người ta chủ động tạo ra dạng sai lệch này bằng cách đưa thêm một lượng đáng kể nguyên tố (cấu tử ) thứ hai vào nền như sẽ khảo sát ở chương 3.
1.5.2. Sai lệch đường - Lệch
Sai lệch đường là loại có kí ch thước nhỏ (cỡ kí ch thước nguyên tử ) theo hai chiều và lớn theo chiều thứ ba, tức có dạng của một đường (đường ở đây có thể là thẳng, cong, xoáy trôn ốc). Sai lệch đường có thể là một d∙y các sai lệch điểm kể trên, song cơ bản và chủ yếu vẫn là lệch (dislocation) với hai dạng là biên và xoắn.
a. Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line)
Có thể hình dung lệch biên như mô hình ở hình 1.18a (điều này không đồng
nghĩa là nó được hình thành đúng như vậy): chèn thêm bán mặt ABCD vào nử a phần trên của mạng tinh thể lý tưởng (hình 1.18a), sự xuất hiện thêm của bán mặt làm cho các mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phí a trở nên không hoàn toàn song song với nhau nữ a. Như thấy rõ ở hình 1.18b biểu thị sắp xếp nguyên tử trên
mặt cắt vuông góc với trụ c AD (trong đó vùng bị xô lệch khá nhỏ - chỉ 4 ữ 5 thông số mạng trong phạm vi vòng tròn), rõ ràng là sự xô lệch này kéo dài theo
đường AD được gọi là trụ c lệch, nó chí nh là biên của bán mặt nên có tên là lệch biên. Với sự phân bố như vậy nử a tinh thể có chứa bán mặt sẽ chịu ứng suất nén, nử a còn lại chịu ứng suất kéo.
Hình 1.18. Lệch biên: mô hình tạo thành (a), sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (b) và mô hình không gian (c).
b. Lệch xoắn (screw dislocation)
Có thể hình dung lệch xoắn như mô hình trượt dịch ở hình 1.19a (điều này không đồng nghĩa là nó được hình thành đúng như vậy): cắt tinh thể lý tưởng theo bán mặt ABCD rồi trượt dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau đi một hằng số mạng trên đường BC. Điều này sẽ làm cho các nguyên tử trong vùng hẹp giữ a hai
đường AD và BC sắp xếp lại có dạng đường xoắn ốc giống như mặt ví t nên lệch có tên là lệch xoắn như thấy rõ ở hình 1.19b biểu thị sắp xếp nguyên tử ở trên và dưới bán mặt. Sự xô lệch nguyên tử được thấy rõ ở hình 1.19c. Cũng giống như
trên đường AD là tâm của sự xô lệch nên được gọi là trụ c lệch.
Hình 1.19. Lệch xoắn: mô hình tạo thành (a), mô hình không gian (b) và sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c).
37 c. Đặc trưng về hình thái của lệch
Do xô lệch mạng nên năng lượng tí ch lũy trong đó tăng thêm chủ yếu nằm ở vùng trụ c lệch. Để đặc trưng cho xô lệch mạng người ta dùng vectơ Burgers b. Vectơ này được xác định bằng cách vẽ ô vuông trên mặt tinh thể. Trong tinh thể lý tưởng ô vuông được khép kí n (điểm xuất phát gặp điểm kết thúc), song trong tinh thể có lệch ô vuông đó không khép kí n, xuất hiện vectơ nối hai điểm đầu, cuối đó chí nh là vectơ Burgers như biểu thị ở hình 1.18c.
Mật độ lệch (ký hiệu là ρ) là tổng chiều dài trụ c lệch trong một đơn vị thể tí ch của tinh thể, có thứ nguyên là cm/cm3 hay cm-2. Rõ ràng là mật độ lệch phụ thuộc rất mạnh vào độ sạch và trạng thái gia công. Ví dụ , đối với kim loại ρ có giá trị nhỏ nhất (~ 108 cm-2) ứng với độ sạch cao và trạng thái ủ; còn đối với hợp kim và ở các trạng thái gia công hóa bền như biến dạng nguội, tôi... ρ có giá trị lớn hơn (tới 1010 ữ 1012 cm-2)(có thể hiểu mật độ lệch ρ = 1012 hay 108 cm-2 là qua mỗi một cm2 mặt cắt ngang của tinh thể có khoảng 1012 hay 108 trụ c lệch chạy qua).
Lệch biên có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng dẻo: nó là nguồn gốc của quá trình trượt (giảm độ bền) song khi quá nhiều nó lại gây cản trượt (tăng bền), sẽ được giải thí ch ở chương sau. Ngoài ra sự có mặt của lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh.
1.5.3. Sai lệch mặt
Sai lệch mặt là loại sai lệch có kí ch thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng của một mặt (mặt ở đây có thể là phẳng, cong hay uốn lượn). Các dạng điển hình của sai lệch mặt là:
- biên giới hạt và siêu hạt (sẽ trình bày ở mụ c sau), - bề mặt tinh thể.