Запитання для самоперевірки

1. Якими особливими властивостями володіють метали?

2. В чому полягає особливість металічного типу зв'язку? Які причини його специфічного впливу на властивості металів?

3. Визначіть поняття: елементарна кристалічна комірка (ячей- ка), базис; координаційне число; компактність решітки.

4. Які основні типи кристалічних решіток частіше за все зустрічаються в металах?

5. Як визначається координаційне число для решіток ОЦК, ГЦК, ГПУ? Яке його значення?

6. Як позначаються і визначаються атомні площини в кристалічних решітках?

7. Що таке індекси напрямків в кристалічних решітках і як вони позначаються?

Глава 3. Недосконалості кристалічної будови

МЕТАЛІВ АБО ДЕФЕКТИ В РЕАЛЬНИХ КРИСТАЛАХ

В реальних кристалах існує велика кількість різних порушень правильного передування атомів, іонів, молекул. Багато важливих властивостей металів зумовлені не стільки тим, наскільки вдосконалим є кристал, а скоріше тим, які в ньому присутні дефекти і в якій кількості.

Фізичні властивості ділять на:

1. структурночутливі;

2. структурнонечутливі.

Перші - це властивості, які реагують на дефекти решітки: електроопір, деякі магнітні характеристики, міцність кристалів. Другі - це властивості, що не реагують на дефекти решітки (температура плавлення (Т); модуль нормальної пружності (Е)).

Теплові коливання атомів вносять певне викривлення в кристалічну решітку, але в середньому через деякий час положення атомів зостається незмінним. Тому теплові коливання до структурних недосконалень не відносять.

Структурні.ледосконалості - це всякого роду порушення правильного передування частинок (а.омів) в кристалі, при цьому мають на увазі середнє положення таких частинок.

Розрізняють такі типи дефектів в реальних кристалах:

1. точкові;

2. лінійні;

3. поверхневі (плоскі у приватному випадку);

4. об'ємні.

Точкові, лінійні і поверхневі дефекти являються мікроскопічними, а об'ємні - макроскопічними.

1. Точкові дефекти

Точкові дефекти кристалів - цс невдосконалі області, які мають дуже малі розміри (приблизно на рівні міжатомних відстаней). До них відносяться вакансії, дислоковані атоми, домішкові атоми. Вакансії (або дірки) - це незайнятий вузол кристалічної решітки (рис. 10а).

Рис. 10. Схема точкових дефектів: а - вакансія; б - заміщений атом; в - прониклий атом.

Утворення вакансій пов'язане з флуктуацією енергії, тобто відхиленням її від середньостатистичного значення. В кристалах атоми-іони здійснюють постійні коливальні рухи з певною частотою (10¹³ кол/с), яка постійна. Припустимо, що в об'ємі металу спостерігається в деякому місці флуктуація енергії. Тоді амплітуда коливань окремих атомів може збільшитись до того, що їм вдається перебороти енергетичний бар'єр і вилучитись із свого постійного місця розташування. Такі атоми називаються активованими. Якщо це трапляється в середині кристала, то атоми зостаються в міжвузловинах, а якщо на поверхні - то вони випаровуються.

Дислокований атом - це такий атом, який вийшов із рівноважного стану і знаходиться у міжвузловинні. Метали - щільні тіла. У них є переважно вакансії, а дислокованих атомів майже нема. Такого роду недосконалості називаються дефектами Шоткі.

Кількість вакансій визначається з рівняння:

0_

N' = N6 ^кт

де ІЧ'- кількість вакансій;

ГЧ- загальна кількість атомів;

О- теплота випаровування;

Я- постійна Больцмана;

Т- абсолютна температура.

Концентрація вакансій звичайно складає мізерну долю від загального числа атомів в решітці. Навіть при температурах, близьких до температури плавлення, кількість вакансій не перевищує 1-2% (10^І8-Ю²⁰см‘³). Енергія вакансій Еу = ІеУ. Енергія дислокованого атома Е(-= 3-5еУ.

Якщо кількість вакансій дорівнює кількості дислокованих атомів, то така недосконалість називається дефектом Френкеля. Але, як вже було сказано вище, в металах такі дефекти неможливі.

П

Рис. 11. Переміщення атома у вакантний вузол (у) в ГЦК - решітці.

рисутність вакансій полегшує переміщення атомів (рис. 11). При цьому говорять, що переміщуються вакансії. Переміщення вакансій носить естафетний характер і називається самодифузією.

Концентрація вакансій залежить від температури (рівняння 1). З підвищенням температури кількість вакансій зростає, отже підсилюється самодифузія.

Енергія, витрачена на самодифузію, називається енергією активації. Це та енергія, котра необхідна для подолання енергетичного бар'єра під час переходу із одного рівноважного стану в інший рівноважний стан. Як видно з рис. 12, щоб перейти із положення 1 в положення 2, необхідно подолати бар'єр (). Для заліза енергія активації 0= 21000 кал/г моль.

Дислоковані^-’ атоми під впливом проникливих випромінювань (нейтронів) можуть бути загнані у вакансії. Це називається заліковуванням дефектів решітки.

Спеціальні методи дослідження дозволяють спостерігати утворення вакансій і їх рух. Встановлено, що вакансії можуть виходити на зовнішню поверхню металу і входити всередину; вакансії можуть виходити на межі зерен, на межі фрагментів усередині зерен. Крім того, вакансії можуть об'єднюватись поміж собою, утворюючи поле вакансій. Коагуляція вакансій приводить до утворення

мікропор в кристалах; при цьому пора утворюється у вигляді диска з товщиною в одну міжатомну відстань.

Т

Рис. 12. Змінення енергії атома при переміщенні ного у вакантний вузол.

ільки завдяки присутності вакансій (дефектів Шоткі) можливо уявити, як атоми одного елемента проникають в кристали іншого елемента.

До точкових дефектів відносяться домішки (або хімічні порушення), які завжди існують в реальних кристалах. Абсолютно чистих металів немає. Домішки суттєво змінюють властивості металів, якщо їхня кількість навіть не перевищує тисячні долі процента, тому що домішки скупчуються поблизу фізичних дефектів, пор, меж зерен, лінійних дефектів - дислокацій. Так, наприклад, якщо в зразок заліза додати 0, 001% Зі, то в одному см^{4 5} буде 610¹⁴ домішкових атомів. Вони можуть знаходитись у вигляді так званих твердих розчинів заміщення або проникнення (рис. 106, в).

В обох випадках створюються поля напружень, параметри решітки змінюються, а , отже, змінюються і властивості металів. Якщо властивості технічно чистих металів легко відтворюються у виробничих умовах, то властивості чистих металів дуже сильно залежать від тисячних долей домішок, і, говорячи про властивості даного металу, необхідно обов'язково вказувати точну кількість домішкових речовин. В наш час найчистішим одержано елемент германій - 99,99999%.

націй була запропонована Френкелем, Тейлором і Рідом ще в 30-х роках XX століття в зв'язку з необхідністю з'ясувати протиріччя між теоретичною і практичною міцністю металів. Але тільки в 60-х роках ця теорія здобула визнання і широкого використання при вирішенні задач підвищення конструктивної міцності металів і їх сплавів.

Якщо виходити з уявлень, що кристали металів не мають дефектів, в тому числі й дислокацій, то для здійснення чистого зсуву в певній площині кристала на одну міжатомну відстань необхідно, щоб всі атоми даної площини одночасно перейшли з одного положення в інше (рис. 13). Отже, треба порушити силу зв'язків атомів

	>	> с	— V. /	> с ч	) ч с1	0 \ о
6 с	—	0	>	Ь	ь	3

Рис. 13. Зсув верхньої частини кристала відносно нижньої одночасно по всій площині ММ.

всієї площини. Теоретичні підрахунки для різних металів давали такі значення міцностних характеристик, які в тисячні рази первищува- ли реальні дані. В таблиці 2 приведені дані критичного сколюючого напруження деяких металів (теоретичного і практичного). Наприклад, для заліза т_кр практичне менше т_кр теоретичного в 1000 разів.

Теорія дислокацій дуже просто пояснила, що для того, щоб відбувався зсув в присутності дислокацій, розташованих в площині зсуву, необхідно переміщення атомів на відстань менше міжатомної і не всіх одноразово, а естафетним шляхом. Тобто під діянням зовнішньо прикладеного навантаження зсуви в кристалах відбуваються спочатку легко завдяки участі в них дислокацій, які нібито рухаються в площинах найменшого опору зсувам.

Дислокації бувають крайові і гвинтові. На рис. 14 показано кристалічну решітку з крайовою дислокацією. її представляють як межу зони зсуву в кристалі.

Метал	^ кр теоретичне		^ кр практичне
	кг/мм2	МПа	кг/мм2	МПа
А1	430	4300	0,12- 0,24	1,2- 2,4
Си	634-735	6340- 7350	0,1	1,0
Ві	247	2470	0,32	3,2
2п	580	5800	0,18	1,8
Ре	1100	11000	0,94	9,4