1.2. Дефекты строения кристаллических материалов
Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Но для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов. Эти дефекты оказывают существенное влияние на все свойства материала. Различают три типа дефектов кристаллического строения в зависимости от их размеров: точечные, линейные, поверхностные.
Точечные дефекты (рис.1.3,а,б) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся:
а) свободные места в узлах кристаллической решетки – вакансии;
б) атомы других элементов, находящиеся в узлах кристаллической решетки основного элемента – примесные атомы замещения;
в) атомы элементов с малым диаметром, располагающиеся в междоузлиях решетки (в атомных порах), – это примесные атомы внедрения.
Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации, под воздействием тепловых, механических, электрических воздействий. Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии – перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для данного металла. Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению металла. Атомы замещения создают небольшие искажения в решетке, поэтому слабо упрочняют сплав. Атомы внедрения значительно сильнее искажают решетку, резко упрочняют сплав.
а) б) в) г)
Рис.1.3. Вакансия в решетке элемента А (а), примесный атом замещения В и внедрения С (б), экстраплоскость дислокации Э (в), схема образования атмосферы Котрелла (г)
Дислокации – это линейные дефекты. Их размеры в двух измерениях – порядка атомных, а в третьем они соизмеримы с длиной кристалла. На рис.1.3,в показан кристалл, верхняя часть которого сдвинута относительно нижней на одно межатомное расстояние. Вертикальную атомную плоскость, которая не имеет продолжения, называют экстраплоскостью, область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости – краевой дислокацией. Дислокации легко перемещаются в направлении перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемещаются дислокации, тем ниже прочность металла.
Закрепление дислокаций различными барьерами приводит к повышению прочности сплава. Движению дислокаций в кристаллической решетке оказывают сопротивление примесные атомы, растворенные в ней, отдельные дислокации, скопления дислокаций. Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей внедрения, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплоскости. Эта цепочка инородных атомов называется атмосферой Котрелла (рис.1.3,г). Эти атмосферы блокируют движение дислокаций, резко повышают прочность и вызывают хрупкость сплава.
Дисперсные включения второй фазы – один из главных факторов торможения дислокаций. Механизм упрочнения показан на рис.1.4,а.. Частицы второй фазы действуют как препятствия движению дислокаций, но дислокации не перерезают и не деформируют частицы, а под действием приложенного напряжения выгибаются между частицами и пробегают дальше, оставляя кольца дислокаций вокруг частиц, которые и упрочняют сплав. Чем меньше размер упрочняющих частиц и меньше расстояние между ними, тем выше упрочнение сплава.
а) б)
Рис.1.4. Схема прохождения дислокации через дисперсные включения (а); теоретическая и фактическая прочность металлов (б),
Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла. Она в сотни или даже тысячи раз превышает фактически затрачиваемое усилие при пластической деформации. Так, теоретическая прочность железа составляет 13000 МПа, а фактическая – всего 250 МПа. Такое расхождение объясняется тем, что пластическая деформация кристалла осуществляется не одновременным разрывом всех атомных связей в плоскости скольжения, а путем постепенного перемещения дислокации. Каждый элементарный шаг перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной атомной связи. В результате такого перемещения дислокация выйдет на поверхность кристалла и исчезнет, оставив ступеньку пластической деформации.
Таким образом, повышение прочности промышленных сплавов может быть достигнуто двумя путями: получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки (монокристаллы, нитевидные кристаллы-«усы»), либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций (примесные атомы, дислокации) – рис.1.4,б.
Поверхностные дефекты – границы зерен и субзерен. Границей зерна называют поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией на угол более 10-15– это высокоугловые границы. Субзерна принадлежат одному зерну, разориентировка кристаллических решеток субзерен не превышает 10. Такие границы называют малоугловыми. Малоугловые границы представляют собой систему дислокаций, они слабо взаимодействуют с другими дислокациями и практически не упрочняют сплав. Атомное строение высокоугловых границ более сложное, кроме того, на таких границах сосредотачиваются легкоплавкие примеси, включения интерметаллидов. Такие границы блокируют движение дислокаций и упрочняют сплав. Уникальной особенностью зернограничного упрочнения является то, что при реализации этого механизма одновременно с увеличением прочности, происходит и повышение пластичности сплава. В общем случае высокоугловые границы имеют более рыхлое строение, поэтому на границах зерен в первую очередь начинают развиваться дефекты от воздействия коррозии, повышенной температуры, переменных нагрузок.