Online заявка:
 
Подписка на новости
Введите E-mail *
Введите название компании 
Подписаться
 

Дефекты строения кристаллических тел

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное по­вторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла ха­рактерно наличие большого количества де­фектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти де­фекты оказывают существенное влияние на свойства материала.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты

Точечные дефекты характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диамет­ров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристал­лической решетки — вакансии (дефекты Шоттки); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки — дислоци­рованные атомы (дефекты Френкеля); в) атомы других элементов, находя­щиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки — при­месные атомы.

Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздей­ствием тепловых, механи­ческих, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.

Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вследствие тепловых движений атомов. В характерных для металлов решетках энергия образования дислоцированных атомов значительно больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому основными точечными дефектами в металлах являются тепловые вакансии. При комнатной температуре концен­трация вакансий сравнительно невелика и составляет около 1 на 1018 атомов, но резко повышается при нагреве, особенно вблизи температуры плав­ления. Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии.

Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии — перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для данного металла. Перемещение атомов осуществляется путем обмена местами с вакансиями. Различают самодиффузию и гетеродиффузию. В первом случае перемещения атомов не изменяют их концентрацию в отдельных объемах, во втором — сопровождаются изменением концентрации. Гетеродиффузия характерна для сплавов с повышенным содержанием примесей.

Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление.

Вакансии, дислоцированные атомы и другие точечные дефекты обна­ружены при исследовании металлов с помощью автоионного микроскопа, дающего увеличение свыше 106 раз.

Линейные дефекты

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации (лат. dislocation — смещение). Теория дислокаций была впервые применена в середине тридцатых годов ХХ века физиками Орованом, Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристаллических тел. Ее использование позволило объяснить природу прочности и пластичности металлов. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дисло­каций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций обычно понимают суммарную длину дислокаций S l, приходящуюся на еди­ницу объема V кристалла: r = S l V. Таким образом, размерность плотно­сти дислокаций r: см/см3, или см–2. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 106–103 см–2, после холодной деформации она увеличивается до 1011–1012 см–2, что соответствует примерно 1 млн ки­лометров дислокаций в 1 см3.

Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхож­дение междутеоретической и фактической прочностью металлов. Теорети­ческая прочность должна быть пропорциональна произведению сил меж­атомной связи на число атомов в сечении кристалла.

Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относительно другой оказалось на 2–3 порядка выше фактически затрачиваемого при пластической деформации металла. Так, теоретическая прочность железа составляет около 13 000 МПа, а фактическая — всего 250 МПа.

Такое расхождение теоретической и фактической прочности объясняет­ся тем, что деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомных плоскостей, а путем постепенного перемещения дислока­ций. Пластический сдвиг является следствием постепенного перемещения дислокаций в плоскости сдвига. Распространение скольжения по плоскости скольжения происходит после­довательно. Каждый элементарный акт перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной вертикальной атомной плоскости. Для перемещения дислокаций требуется значительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной части кристалла отно­сительно другой в плоскости сдвига. При движении дислокации вдоль на­правления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней его частей лишь на одно межатомное расстояние. В результате переме­щения дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает. На по­верхности остается ступенька скольжения.

В лекции о роли дислокаций Орован в качестве аналогии движения дислокаций приводил примеры перемещения таких представителей животного мира, как дождевой червь или змея. Они скользят по поверхности земли, последовательно перемещая участки своего тела. При этом участки, через которые прошла волна возмущения, восстанавливают исходную форму. В случае пластического сдвига позади переместившейся дислокации атомная структура верхних и нижних слоев восстанавливает свою исход­ную конфигурацию.

Другой аналогией движения дислокаций является перемещение складки на ковре. Последовательное перемещение складки потребует значительно меньше усилий, чем перемещение всего ковра по поверхности пола, хотя в обоих случаях будет достигнут один и тот же результат — ковер переместится на одинаковое расстояние.

Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже проч­ность металла, тем легче идет пластическая деформация. 
Пластическая деформация кристаллических тел связана с количеством дислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимодействия с де­фектами решетки и т. д. Характер связи между атомами влияет на пластич­ность кристаллов. Так, в неметаллах с их жесткими направленными связя­ми дислокации очень узкие, они требуют больших напряжений для старта — в 103 раз больших, чем для металлов. В результате хрупкое разрушение в неметаллах наступает раньше, чем сдвиг.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов явля­ется наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов.

Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных бездислокационных ни­тевидных кристаллов (так называемых «усов»), прочность которых близка к теоретической.

При ограниченной плотности дислокаций и других искажений кристал­лической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дис­локаций находится в объеме металла.

С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемешаться, происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д., что позволило Дж. Гордону образно назвать их взаимодействие в процессе пластической деформации «интимной жизнью дислокаций». С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затруд­ненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой.

Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся ато­мы растворенных в металле примесей и леги­рующих элементов, частицы выделений второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике пре­пятствие движению дислокаций, т. е. упрочнение, создается введением дру­гих элементов (легирование), наклепом, термической или термо­механической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.

Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.

Поверхностные дефекты

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, грани­цы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему кристаллическому стро­ению имеют неодинаковую про­стран­ст­венную ориентировку решеток. Блоки повернуты друг по отноше­нию к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут, их размер 10–5 см. Фрагменты имеют угол разориентировки не более 5°. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен меньше 5°, то такие границы на­зываются малоугловыми границами. Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5–10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не совпадают. Скольжение первоначально развивается в наиболее благоприятно ориенти­рованных зернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются. Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зе­рен упруго распространяются через границы в соседние зерна, что приводит в действие источники образования новых дислокаций (источники Франка—Рида). Происходит передача деформации от одних зерен к другим, подобно передаче эстафеты в легкоатлетических соревнованиях.

Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства метал­ла.

Под размером зерна принято понимать величину его среднего диа­метра, выявляемого в поперечном сечении. Это определение условно, так как действительная форма зерна в металлах меняется в широких пределах — от нескольких микрометров до миллиметров. Размер зерна оценивается в баллах по специальной стандартизованной шкале и характеризуется числом зерен, приходящихся на 1 мм2 поверхности шли­фа при увеличении в 100 раз.

Процесс пластического течения, а, следовательно, и предел текучести зависят от длины свободного пробега дислокаций до «непрозрачного» барьера, т. е. до границ зерен металла. Предел текучести sТ связан с размером зерна d уравнением Холла—Петча: sТ = sо + kd–1/2, где sо и k — постоянные для данного металла. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно при измельчении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Последнее осо­бенно важно для металлических изделий, работающих при низких тем­пературах. Повышенные пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением мелкозернистого металла, отсутстви­ем в нем крупных скоплений, структурных несовершенств, способству­ющих об­ра­зованию трещин.

Рост зерен аустенита эффективно затрудняет дисперсные частицы второй фазы — карбидов, нитридов, неметаллических включений. Частицы нитрида AlN, содержащиеся в спокойных сталях, раскисленных алюминием, препятствуют росту аустенитных зерен.

В легированных сталях рост зерен аустенита тормозится карбидами и карбонитридами легирующих элементов V, Ti, Nb, микродобавки которых в количестве около 0,1 % специально вводят в стали с целью сохранения мелкого зерна аустенита вплоть до 1000 °С. Использование этих элементов одновременно обеспечивает мелкозернистую струк­туру и снижение критической температуры хрупкости. 
Помимо перечисленных дефектов в метал­ле имеются макродефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины и т. д. Эти дефекты снижа­ют проч­ность металла.