Порошковое материаловедение. Часть 1. Основы теоретического материало

Линейные дефекты малы в двух измерениях, в третьем они имеют значительно больший размер, который может быть соизмерим с длиной кристалла. Линейными дефектами являются дислокации.

Объемные дефекты имеют во всех трех измерениях относительно большие размеры. Объемные дефекты – это поры, трещины и царапины, частицы другой фазы.

Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. К ним относятся границы зерен, блоков и двойников, дефекты упаковки и сама поверхность кристалла.

Точечные дефекты

Точечный дефект – это нарушение кристаллической структуры, размеры которого во всех трех измерениях сравнимы с одним или несколькими межатомными расстояниями. Точечные дефекты кристалла: вакансии или «дырки» – отсут-

21

нецентрированных кубических металлах меньшие по размерам примесные атомы внедряются в тетраэдрические или октаэдрические пустоты или же вытесняют из узла атом. В кристаллах со структурой типа сфалерита атомы примеси легко внедряются

вчетыре незанятые тетраэдрические пустоты или в пустоту

вцентре гранецентрированной кубической ячейки.

При взаимодействии между собой точечные дефекты одного или разных видов могут объединяться в пары и более крупные комплексы. При случайных столкновениях одиночных вакансий они могут объединяться в пары – дивакансии (см. рис. 14), тривакансии, вакансионные тетраэдры.

Вакансии и межузельные атомы могут образовывать устойчивые комплексы с атомами растворенного элемента.

Вакансии, образующие с атомами растворенных элементов устойчивые комплексы, называют структурными или примесными. Атомы в межузлиях могут образовывать сложные конфигурации, называемые гантелью (рис. 15).

Искажения решетки вокруг точечных дефектов. Вокруг пус-

того узла или атома в межузлии решетка искажена. Напряжения и деформации вокруг такого центра убывают обратно пропор-

ционально третьей степени расстояния от него. Только на расстоянии одного–двух атомных диаметров от центра дефекта создаются заметные смещения. Эта область называется ядром дефекта.

В гранецентрированной кубической решетке вокруг вакансии ближайшие соседи смещены на –0,84 % межатомного расстояния в сторону вакансии. Второй слой атомов сдвинут по направлению от вакансии на +0,25 %, а третий слой – по направлению к вакансии на –0,03 %.

22

Вокруг межузельного атома ближайшие соседи смещены по направлению от него на расстояния, достигающие 20 % межатомного расстояния, а атомы второго слоя сдвинуты по направлению к межузельному атому.

Из приведенных данных видно, что заметные смещения вокруг вакансий наблюдаются только в первых двух слоях соседних атомов, причем эти смещения очень невелики.

Термодинамика точечных дефектов. Точечные дефекты повышают энергию кристалла, так как на образование каждого дефекта затрачена определенная энергия. Основная доля энергии образования точечного дефекта связана с нарушением периодичности атомной структуры, сил связи между атомами.

Теоретические расчеты показывают, что энергия образования вакансии в гранецентрированной решетке меди составляет около 1 эВ, а межузельного атома – от 2,5 до 3,5 эВ.

Несмотря на увеличение энергии кристалла при образовании точечных дефектов, они могут находиться в термодинамическом равновесии в решетке, так как их образование приводит к росту энтропии.

Равновесное состояние характеризуется минимумом свободной энергии F U TS. При образовании точечных дефек-

тов растет полная энергия кристалла U и одновременно связанная энергия TS . При достаточно высокой температуре рост TS компенсирует рост полной энергии кристалла и сво-

бодная энергия оказывается минимальной.

Миграция точечных дефектов. Атомы, совершающие колебательное движение, непрерывно обмениваются энергией. В какой-то момент атом может получить от соседей такой избыток энергии, что он займет соседнее положение в решетке. Так осуществляется миграция (перемещение) точечных дефектов в объеме кристаллов. Если один из атомов, окружающих вакансию, переместится в вакантный узел, то вакансия соответственно передвинется на его место. Для перехода из поло-

23

ся равновесное количество дефектов. Они образуются за счет тепловых флуктуаций.

Образование вакансий по методу Шоттки. В механизме Шоттки большую роль играет поверхность материала. Атом поверхностного слоя, приобретая избыток энергии от соседей,

в глубь кристалла. Кристаллы как бы растворяют пустоту. Вакансии по Шоттки обычно образуются в ионных кристаллах.

Метод закалок. С понижением температуры равновесная концентрация вакансий уменьшается по экспоненциальному закону. При закалке этот процесс не успевает пройти и фиксируется избыточная концентрация вакансий – металл пересыщается вакансиями. Большой избыток вакансий может возникнуть при обычной закалке в воде. Большое число точечных

24

дефектов можно получить и при пластической холодной деформации.

Образование дефектов по Френкелю. Атом может вый-

ти из узла решетки в межузлие из-за получения избытка энергии от соседей (рис. 18). Но такое образование тепловых ва-

Методы определения концентрации вакансий и энер-

гии их образования. Методы определения концентрации вакансии можно подразделить на две группы.

К первой группе относятся методы, использующие измерения физических свойств при разных температурах. Прямые данные о концентрации вакансий можно получить, сравнивая

при нагревании изменение длины образца l / l с изменением периода решетки a / a .

Разность между относительным приростом длины и относительным увеличением периода решетки, умноженная на 3, составляет величину равновесной концентрации вакансий:

Определив температурную зависимость концентрации вакансий по формуле

можно вычислить энергию их образования E0. Концентрацию вакансий можно определить косвенным методом. При невысо-

25

ких температурах электросопротивление R линейно растет с температурой. При высоких температурах экспериментальные точки не укладываются на прямую, давая положительные отклонения от нее (∆R). Если считать, что добавочное электросопротивление ∆R при каждой температуре возникает из-за сильного увеличения концентрации вакансий при нагревании и пропорционально этой концентрации, то тогда

По тангенсу угла наклона прямой в координатах ln R 1/T можно определить энергию образования вакансий

Е0. Зная ее, нетрудно для разных температур рассчитать Nn .

В другой группе методов используют закалочные эксперименты. Нагревают металл до разных температур закалок и с этих температур резко охлаждают. Избыточная концентрация вакансий, полученная при закалке с высоких температур, дает прирост удельного электросопротивления

26

2.2.2. Основные типы дислокаций и их движение

Дислокации относятся к линейным дефектам кристалла, которые имеют значительно большую протяженность в одном направлении, чем в любом другом. Они определяют механические свойства кристаллических тел и играют значительную роль при кристаллизации и других фазовых превращениях.

2.2.3. Краевая дислокация

Краевая дислокация возникает, когда направление относительного смещения двух частей кристалла выбрано перпендикулярно краю разреза (рис. 19).

Рис. 19. Сдвиг, создавший краевую дислокацию: ABCD – участок плоскости скольжения, в котором произошел сдвиг; AB – граница этого участка; стрелка (←) – вектор сдвига

Образование краевой дислокации можно представить и другим путем: мысленно расщепить кристалл сверху вниз до половины высоты и вставить в него сверху лишний атомный слой (рис. 20). Такую неполную атомную плоскость называют экстраплоскостью. Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией, обозначается она значком . Если полуплоскость находится ниже

27

Движение краевой дислокации. Возможны два пути движения краевой дислокации: скольжение (консервативное движение) и переползание (неконсервативное движение).

Скольжение дислокации. Пластическая деформация в кристаллах происходит в результате движения одной плоскости атомов по другой, получившей название плоскости скольжения. Плоскость скольжения является обычно плоскостью с наибольшей плотностью атомов, а направление скольжения – направлением плотнейшей упаковки. В гексагональных плотно упакованных кристаллах скольжение обычно идет по базисной плоскости (0001) в направлении [1210], а в гранецентрированных кубических металлах – по плоскости {111} в направлении <110>. В объемноцентрированных кристаллах направление скольжения <111>, а плоскость скольжения стремится к {110}. Скольжение начинается тогда, когда касательное напряжение достигает некоторой критической величины, называемой критическим скалывающим напряжением.

На рис. 21. показаны недеформированный кристалл, к которому приложено касательное напряжение (τ), и этапы скольжения краевой дислокации в кристалле с простой кубической решеткой.

Если в недеформированном кристалле отметить пары точек (например: B и B , C и C , D и D , E и E (рис. 21, а), лежащих по разные стороны от плоскости скольжения, то при пересечении скользящей дислокацией отрезков, соединяющих эти

28

точки: BB (рис. 21, б), BB и CC (рис. 21, в), BB , CC , DD

(рис. 21, г), BB , CC , DD и EE (рис. 21, д), произойдет пластическое смещение одной пары точек относительно другой на величину вектора Бюргерса (b), под которым понимается мера кристаллической решетки (для краевой, винтовой и смешанной дислокации – это вектор сдвига).

При A A0 дислокация вышла из кристалла (рис. 21, д)

и скольжение прошло по всей плоскости скольжения. Такое движение дислокации называется скольжением или консервативным движением. Скольжение дислокации не обусловлено диффузионными перемещениями атомов.

Переползание краевой дислокации. При низких темпе-

ратурах, когда диффузия затруднена и отсутствует избыточная концентрация точечных дефектов, движение дислокации ограничивается в основном скольжением.

Однако при высоких температурах дислокация с краевой составляющей может выходить из своей плоскости скольжения

зывается положительным. При добавлении ряда атомов ниже линии экстраплоскости линия дислокации передвигается вниз на одно межатомное расстояние – отрицательное переползание.

30