3. Дефекты кристаллической решетки металлов.

В любом кристалле имеются дефекты строения. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные (нульмерные), линейные (одномерные) и поверхностные (двухмерные).

Т

Рис. 2. Точечные дефекты.

очечные дефекты малы во всех трех измерениях, их размеры не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся вакансии, то есть узлы решетки, в которых атомы отсутствуют.

Вакансии чаще образуются в результате перехода атомов из узла решетки на поверхность или полного испарения с поверхности кристалла, и реже в результате перехода в междоузлие. В кристалле всегда есть атомы, кинетическая энергия которых значительно выше средней. Как правило, такие атомы расположены вблизи поверхности кристалла и могут выйти на поверхность. Тогда их место займут атомы расположенные дальше от поверхности, в результате чего на их месте образуются тепловые вакансии. Источниками тепловых вакансий, то есть возникающих при нагреве, являются границы зерен, пустоты, трещины.

С увеличением температуры концентрация вакансий возрастает и при температуре близкой к температуре плавления количество вакансий может составлять 1% по отношению к числу атомов в кристалле. Большинство возникающих вакансий являются двойными, но могут быть и их группировки.

Вакансии образуются не только при нагреве, но и в процессе пластической деформации, рекристаллизации, бомбардировке металла атомами высоких энергий (нейтронное облучение в ядерном реакторе).

Возможен также выход атомов в междоузлие, тогда на их месте в кристаллической решетке образуется вакансия. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки. Смещение вокруг вакансии возникают в первых 2-3 слоях соседних атомов и составляют доли межатомного расстояния. Точечные несовершенства появляются и в результате присутствия атомов примесей, которые либо замещают атомы основного металла, либо располагаются в междоузлиях, искажая кристаллическую решетку.

Наличие вакансий предопределяет возможность диффузии, то есть перемещения атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные.

Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Особыми и важнейшими видами линейных дефектов являются краевые и винтовые дислокации.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости. Наиболее простой и наглядный способ образования такой дислокации – сдвиг. Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние, то граница AB между участком, где скольжение уже произошло, и участком в плоскости скольжения, где скольжение еще не произошло и будет дислокацией.

Д

Рис. 3. Краевая дислокация.

ислокации при приложении небольшого касательного напряжения легко перемещаются.

Кроме краевых дислокаций различают еще и винтовые дислокации. Винтовая дислокация, так же как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла, но здесь присутствует еще изгиб атомных плоскостей по винтовой линии. Если винтовая дислокация образована движением по часовой стрелке, то ее называют правой, если против—левой.

Дислокации образуются в процессе кристаллизации металла при «захлопывании» группы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений.

Основной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций (ρ), под которой понимают суммарную длину дислокаций (см), приходящуюся на единицу объёма кристалла (см³). Таким образом, размерность плотности дислокаций см^-2, ρ=Σl/V/

Как правило, плотность дислокаций определяется экспериментально. Дислокации присутствуют в металле в огромных количестве (10⁶–10¹² см^-2) и обладают легкой подвижностью.

Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами в поликристаллическом металле. Поликристалл состоит из большого числа зерен, при этом в соседних зернах кристаллические решетки ориентированы различно. Каждое зерно металла состоит из отдельных субзерен, образующих субструктуру. Субзерна разориентированы относительно друг друга на доли–несколько градусов. Размеры субзерен 0,1–1 мкм.

Границы между отдельными зернами образуют переходную область шириной до 3–4 межатомных расстояний, в которой зерна одного кристалла, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходят в решетку другого, имеющего иную кристаллографическую ориентацию. На границе двух зерен атомы расположены иначе, чем в объеме зерна.

К

Рис. 4. Поверхностные дефекты.

роме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. С увеличением угла разориентации субзерен и уменьшением их величины плотность дислокаций в металле повышается.