2.Идеальное и реальное строение кристаллов. Дефекты кристаллического строения. Теоретическая и реальная прочность металлов. Пути повышения прочности металлов.

Виды кристаллов.

Следует разделить идеальный и реальный кристаллы.

Идеальный кристалл

Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную симметрию, ровные гладкие грани.

Реальный кристалл

Всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и деформаций.

Каждый металл имеет свой вид кристаллической решетки. В реальных условиях не всегда кристаллическая решетка имеет правильное строение. На деле это выражается в том, что теоретическая прочность металлов всегда выше реальной, т. к. наличие дефектов в кристаллической решетке снижает прочность. Дефекты подразделяются на следующие типы:

Точечные или вакансии, представляющие собой свободные места в узлах кристаллической решетки, а также дислоцированные и примеси других атомов 

а) вакансия (атом отсутствует);

б) примесный атом;

в) дислоцированный атом – линейный атом

- линейные или дислокации, представляющие собой нарушения кристаллического строения, связанные с отклонениями реальных кристаллов от идеального состояния и выражающиеся в смещении отдельных участков кристалла (рис. 5). Дислокации возникают в процессе кристаллизации, пластической деформации и т.д.

- поверхностные дефекты. Они чаще всего проявляются на границах зерен, где кристаллическая решетка бывает недостроенной.

- объемные – микротрещины, поры, различные включения. Они образуются в процессе кристаллизации, фазовых превращений, пластической деформации.

Наименее значимыми являются точечные деформации (в виду малости объёмов искаженной решётки, точечные дефеты очень мало влияют на прочность металлов), наиболее значительными – объемные.

Пути повышения прочности металлов

В этой теме рассмотрим, в основном, влияние дефектов решетки на прочность кристаллических материалов.

В теме 1.1 отмечалось, что прочность – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешней нагрузки.

Под прочностью кристаллических тел понимают их сопротивление приложенной нагрузке, стремящейся сдвинуть или, в пределе, оторвать одну часть кристалла относительно другой.

Наличие в металлах подвижных дислокаций (уже в процессе кристаллизации возникает до 10⁶…10⁸ дислокаций в сечении, равном 1см²) приводит к их пониженной сопротивляемости нагружению, т.е. высокой пластичности и невысокой прочности.

Очевидно, что наиболее эффективным способом повышения прочности будет удаление дислокаций из металла. Однако такой путь не технологичен, т.к. бездислокационные металлы удается получать лишь в виде тонких нитей (так называемых «усов») диаметром в несколько микрон и длиной до » 10 мкм.

Поэтому практические способы упрочнения основаны на торможении, блокировании подвижных дислокаций путем резкого увеличения числа дефектов решетки (в первую очередь линейных и поверхностных!), а также создании многофазных материалов (см. параграф 1.2.2.).

Такими традиционными методами повышения прочности металлов являются:

– пластическое деформирование (явление наклепа или нагартовки),

– термическая (и химико-термическая) обработка,

– легирование (введение специальных примесей) и, наиболее общий подход, – это создание сплавов.

В заключение следует отметить, что повышение прочности, основанное на блокировании подвижных дислокаций, приводит к снижению пластичности и ударной вязкости и, соответственно, эксплуатационной надежности материала.