פגמים במבנה הגבישי

חקר מבנה החומר

מבנה החומר ניתן לחלוקה לשלוש רמות: הרמה האטומית:

• מבנה האטום, קוונטים, קשרים בין אטומים.

• הסידור המרחבי של האטומים - מבנים מרחביים, סוגי גבישים, מישורים קריסטלוגרפיים, פגמים במבנה הגבישי, דיפוזיה. רמת מיקרו-המבנה - גרעינים, פאזות משניות, פורוזיביות וכו'. כל רמת-חקר משפיעה על תכונות החומר.

• המבנה הגבישי התיאורטי הינו כליל השלמות. אולם, בעולם המוחשי המצב שונה. חומרים ממשים אינם מושלמים, וגבישיהם מכילים בתוכם ליקויים, המכונים פגמים. מקובל למיין את הפגמים השונים בהתאם לממד שלהם: פגם נקודתי (חסר-ממד), פגם קווי (חד-ממדי), פגם משטחי (דו-ממד) ופגם נפחי (תלת-ממד).

פגמים נקודתיים - 0 מימדים

קבוצה זו מכילה פגמים בסדר גודל של אטום בודד, ביניהם: העדרויות, זיהומים (אי-ניקיונות) וחדירונים של אטום זר או של אטומים מסוגים שונים. הפגמים הנקודתיים גורמים לירידת המוליכות החשמלית של הגביש ולשינויי בתכונות המכניות. פגמים נקודתיים הם בסדר גודל של אטום בודד. היעדרות (vacancy) היא הפגם הנקודתי הפשוט ביותר. ההיעדרות היא נקודה בגביש שבה נעדר אטום. החדירון העצמי (self-interstitial) גם הוא פגם נקודתי. חדירון נוצר בשעה שאטום מהגביש נדחף אל תוך חלל קטן ופנוי הקרוי אתר חדירה. בעולם הממשי אין בנמצא חומרים נקיים לחלוטין. כל חומר מכיל יותר מסוג בודד של אטומי יסוד. תמיד תהיה בגביש נוכחות של אטומי יסודות נוספים הקרויים אי-ניקיונות או זיהומים. אטומים זרים אילו קיימים בסריג הגבישי בשני אופנים: בראשון, החלפה (impurity atom substitutional), הזיהום מחליף אטום מהסריג, ובאחר, הקרוי חדירון זר (impurity atom interstitial), האטום הזר מצליח להיכנס לתוך אתר חדירה.

פגמים קווים - 1 מימדים

קבוצה זו כוללת פגמים בסדר גודל של שורת אטומים, ביניהם: נקעי קצה, נקעים בורגיים ולולאות נקע. הפגמים הקוויים עשויים משורת אטומים שמשבשת את המבנה הגבישי המושלם. הפגם הקווי הנפוץ ביותר בחומרים גבישים קרוי נקע. כשחומר עובר דפורמציה פלסטית, כלומר לכשהוא משנה את צורתו בעקבות הפעלת כוח, מתרחשת בו החלקת מישורים אטומיים זה על גבי זה. הקו המפריד בין שני מישורים אטומיים בגביש, המחליקים זה על גבי זה, קרוי קו נקע. הקו הנוצר לאורך האטומים שבקצה המישור הנוסף קרוי נקע קצה.

בנוסף לנקע הקצה קיימים גם נקע בורגי ולולאת נקע. בנקע בורגי, המישורים האטומיים מסודרים סביב הנקע במסלול בורגי. לולאת נקע נוצרת כתוצאה מתגובה בין מספר נקעים. תנועת נקעים אופיינית בעיקר לחומרים מתכתיים, והיא מלווה בשבירת קשרים בין האטומים. משיכות היא יכולתו של החומר לעבור דפורמציה פלסטית לפני שיישבר. תנועת נקעים מתרחשת במישורים ובכיוונים בהם צפיפות האטומים בגביש מרבית. מישורי ההחלקה בחומר שתא היחידה שלו FCC צפופים יותר מאשר בחומר שתא היחידה שלו BCC, לכן בחומרים בעלי מבנה FCC יותר קל לנקעים לנוע ולכן המשיכות בהם תהיה רבה יותר. תכונותיהם של חומרים מתכתיים מושפעות במידה ניכרת מנוכחות נקעים בחומר ומיכולת תנועתם של אותם הנקעים. חיזוק והקשיית מתכות נעשים על-ידי הפרעה לתנועת הנקעים.

הידעת? מקור פרנק ריד - זהו מקור לריבוי נקעים באמצעות היווצרות לולאות נקע. הנקע נאחז במישור ההחלקה בשתי קצוות באמצעות פגמים או באמצעות מפגש עם נקעים שאינם על בסיס ההחלקה. כאשר מאמץ גזירה מסופק למישור הבסיס (ההחלקה), הנקע נהיה בלתי יציב ומתחיל להתכופף. כאשר המאמץ עולה, הנקע ממשיך להתכופף עד שהוא נסגר סביב עצמו ויוצר לולאה חדשה בנוסף לנקע הישר, וכך כל עוד המאמץ מסופק, הנקעים ממשיכים להיווצר.

פגמים משטחיים - 2 מימדים

קבוצה זו כוללת גבולות גרעינים (גבולות בין גבישים שונים בתוך החומר), גבולות בין פאזות, תאומים, ומשגי הערמה. כאשר חומר נוזלי מתמצק בעת קירורו, ההתמצקות הינה הדרגתית. ראשיתה של ההתמצקות באותם אזורים בהם קיימים אטומים זרים (אי-ניקיונות). כל אזור שכזה מהווה נקודת התחלת התמצקות של גביש, בו תאי היחידה מסתדרים בכיוון מסוים. לכן, באזורים שונים של החומר יהיו תאי היחידה מסודרים בכיוונים שונים. אזורים שכאילו, שכיווני הסידור של תאי היחידה נבדלים זה מזה קרויים גרעינים. גודלם של גרעיני החומר נע בדרך-כלל בין מיקרונים בודדים למספר מילימטרים, זאת בהתאם לסוג החומר ואופן ייצורו. הגבול בין הגרעינים הוא אזור של פגם משטחי, הקרוי גבול גרעין. האטומים בגבול הגרעין אינם מאורגנים במבנה גבישי. גבולות הגרעין מכילים בתוכם אטומי אי-ניקיונות, המוסעים אל הגבולות תוך כדי ההתמצקות. כתוצאה מכך הופכים גבולות הגרעין לאזורי אי-רציפות בחומר. אי-רציפות מבנית זו מפריעה לתנועת הנקעים. ככל שיש בגביש יותר גבולות גרעין, כך החומר חזק וקשה יותר, אך משיכותו קטנה. לקבוצת הפגמים הנפחיים משתייכים צברי אטומים או חוסר בקבוצת אטומים, היוצר חלל בחומר.

הידעת! פגמים משטחיים - למעט הצורה השכיחה של גבולות הגרעינים, קיימות שתי צורות נוספות בעלות עניין מיוחד:

גבול הטיה (Tilt boundary) - נקרא גם גבול בזווית קטנה. כאשר יש לנו בסריג חצי מישור נוסף הגורם להטיה של הגרעינים זה כלפי זה בזווית. בין שני הגרעינים נוצר מערך של נקעי קצה הנקראים גבולות מוטים. אי-ההתאמה באוריינטציה הקריסטלינית הינה קטנה מאוד ולמעשה הגבול מתואר כשורת נקעי-קצה זה מעל זה.

גבול תאום, או "תאומים" (Twin boundary או Twinning) - גבול גרעין אשר יוצר תמונת-שיקוף (מראה) של הגרעין, כלומר כאשר חלק מסוים של הסריג מהווה תמונת ראי של חלק אחר. תאומים הינה צורה של דפורמציה המתרחשת כתוצאה מתזוזת אטומים על-גבי מישורים קריסטלוגרפיים מוגדרים. תאומים נוצרים כתוצאה דפורמציה פלסטית תחת מאמצי גזירה או במהלך טיפול תרמי לאחר דפורמציה (תאומי הרפיה).

משגה הערמה (SF) זהו פגם משטחי הנובע מהמצאות מישור נוסף בגביש לא לפי הסדר המחזורי של הסריג. בגביש המושלם סידור השכבות הוא ABCABCABC ואילו במשגה ההערמה עקב חוסר של שיכבה במקום מסוים משתנה סידור האריזה ל- ABCACABC.

פגמים נפחיים - 3 מימדים

קבוצה זו כוללת פגמים בסדר גודל של צבר אטומים. לדוגמא: מתבדלים או חללים (voids) בסדר גודל של צבר אטומים במרחב תלת-מימדי.