Как только приведенные оценки теоретической прочности (Френкель, 1926 г.) показали, что нельзя прямо связать прочность и пластичность кристаллов со свойствами решетки, возникли гипотезы о соизмеримых с атомными масштабами дефектах решетки — вакансиях (Френкель, 1926 г.), дислокациях (Тейлор, Орован и Поляни, 1934 г.), дефектах упаковки (Вилсон, 1942 г.), определяющих поведение “реального кристалла” (с дефектами).
Без дефектов решетки невозможно также объяснить явления диффузии и фазовых превращений в твердом состоянии, пределы достижимых значений “физических” свойств металлов — например, магнитной проницаемости, коэрцитивной силы или критического поля при сверхпроводимости. Поэтому дефекты решетки — исходный пункт многих разделов физики твердого тела.
Можно ожидать, что прочность приблизится к теоретической в столь малом кристалле, что в нем не окажется ни одного дефекта. Действительно, заведомо бездефектные (бездислокационные) иголки вольфрама диаметром 60...260 нм, растягиваемые при 78 К электрическим полем в автоионном микроскопе, разрушались при напряжениях 24,7 ± 3,6 ГПа (о/Е = 1/16). Когда в сканирующем туннельном микроскопе отрывали от медной подложки “схватившееся” с ней медное острие, для разрыва перемычки диаметром 4...8 нм (“15...30 атомов в поперечнике”) понадобилось при 20°С напряжение 4 ГПа (о/Е = 1/30).
К настоящему времени все известные в теории дефекты решетки наблюдались прямо: методами автоионной или электронной дифракционной микроскопии. Первые прямые наблюдения дислокаций сделаны в 1953 г., дефекта упаковки - в 1957 г., вакансии - в 1959 г.
До теоретического описания дефекта нельзя было не только создать метод наблюдения, но даже и просто распознать его в наблюдаемой структуре. Теоретический анализ начинается с определения масштаба объектов. Деление на “микроструктуру” (то, что видно в микроскоп) и “атомные масштабы” потеряло свой буквальный смысл, когда было получено прямое изображение плоскостей решетки в трансмиссионном электронном микроскопе (Ментер, 1958 г.) и отдельного атома в автоионном микроскопе (Мюллер, 1959 г.), но практическая ценность такого деления сохраняется.
Объект необходимо рассматривать “на атомном уровне”, если хотя бы один из трех его размеров сравним с кратчайшим межатомным расстоянием b = 3*10в-8 см (от 222 пм в Be до 525 пм в Cs). Объект принадлежит к “микроструктуре”, если все три размера х >> b(х) > 10в-6 см). Дефект решетки, малый во всех трех измерениях (размеры х ~ b, у ~ b, z - b), — точечный (нульмерный), малый в двух измерениях и сколь угодно протяженный в третьем (х ~ b, у ~ b, z >> b) — линейный (одномерный), малый лишь в одном измерении (х ~ b, у >> b, z >> b) — плоский (двумерный, поверхностный). Трехмерные дефекты (например, микропоры) по определению относятся к микроструктуре и не требуют анализа на атомном уровне (если не говорить об их поверхности как об особом — двумерном - объекте).
Задача теории дефектов решетки: точечных (вакансий, межузельных атомов и их группировок), одномерных (дислокаций и дисклинаций), двумерных (дефектов упаковки, границ зерна и границ фаз) — описать их свойства и взаимодействия. Некоторые свойства выводятся прямо из геометрии дефектов: законы сохранения при взаимодействии дефектов на малых (х ~ b) расстояниях, симметрия поля смещений.
Главная