1.5. Дефекты кристаллических решёток

До сих пор, описывая кристаллическую структуру металлов, мы принимали, что атомы в кристаллических решётках расположены в строгом порядке, т.е. рассматривали идеальный кристалл. В действительности же в реальных кристаллах имеется значительное число мест, в которых идеальное расположение атомов нарушено, или, как принято говорить, в кристалле имеется значительное количество дефектов. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства металлов.

Дефекты в кристаллах подразделяют по геометрическим признакам на 4 группы: точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные), объёмные (трёхмерные).

Точечные дефекты. Они характеризуются малыми размерами во всех трёх измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К ним относятся: а) вакансии – свободные места в узлах кристаллической решётки; б) дислоцированные атомы – атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решётки в междоузельные промежутки: в) примесные атомы в узле; г) примесные атомы в междоузлии.

Число точечных дефектов зависит от температуры, вида обработки и др. При скоплении вакансий могут образовываться пустоты (поры). Наличие вакансий сообщает атомам подвижность, т.к. вакансии могут перемещаться и, следовательно, оказывать влияние на процесс диффузии. Точечные дефекты могут взаимодействовать друг с другом. При встрече вакансии и дислоцированного атома дефекты взаимно уничтожаются (аннигилируют).

Линейные дефекты (дислокации). Они характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Различают два основных типа дислокаций – краевую и винтовую. Дислокации обоих типов образуются путём сдвигов отдельных участков кристалла, приводящих к нарушению идеальности кристаллической решётки.

Краевая дислокация представляет локализованное искажение кристаллической решётки, вызванное наличием в ней «лишней» полуплоскости или экстраплоскости. Винтовая дислокация так же, как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по плоскости. В этом случае кристалл можно представить состоящим из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. Дислокации могут взаимодействовать друг с другом и с другими дефектами.

Поверхностные дефекты. Они имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух разориентированных участков кристаллической решётки. Ими могут быть границы зёрен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагмента.

Зёрна повёрнуты относительно друг друга на десятки градусов. Эти границы называют большеугловыми. Фрагменты разориентированы относительно друг друга от нескольких долей до единиц градусов – малоугловые границы, а блоки повёрнуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут. Такая структура зерна называется блочной или мозаичной.

Объёмные дефекты. Они имеют значительную по сравнению с атомами протяженность во всех трёх направлениях кристалла. Это поры, трещины, усадочные раковины и т.п. Трёхмерные дефекты образуются как в процессе кристаллизации, так и при фазовых превращениях, деформации и др. процессах. Эти дефекты значительно снижают прочность металлов.