3.1. Дефекты кристаллической решетки

В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения. Дефекты кристаллического строения подразделяют на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные), объемные (трехмерные).

Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома.

Рис.7. Схема точечных дефектов в кристалле: 1-примесный атом замещения, 2- дефект Шоттки, 3- примесный атом внедрения, 4- дивакансия, 5- дефект Френкеля (вакансия и межузельный атом), 6- примесный атом замещения.

К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), или дефект Шотки, межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения) или внедряться в свободные места решетки (поры, межузлия) аналогично межузельным атомам (примеси внедрения) (рис.7).

Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации (рис.8). Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой.

Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или субзернами в поликристаллическом материале, а также дефекты упаковки (локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле).

К объемным дефектам относят такие, которые имеют размеры в трех измерениях: макроскопические трещины, поры и т.д.

Наличие различных дефектов кристаллической решетки объясняет несоответствие реальной и теоретической прочности металлических материалов. Реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций.

а б

Рис.8.Дислокации: а) краевая, б) винтовая

Достигнув минимального значения при некоторой плотности дислокаций, реальная прочность возрастает. Такого рода зависимость между реальной прочностью и плотностью дислокаций (и других несовершенств) схематически показана на рис.9.

Рис.9. Прочность кристаллов в зависимости от искажений решетки

Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокаций объясняется тем, что при этом возрастают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, а реальная прочность металла повысится.

Резюме

Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел.

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких, различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами.

Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые связывают ионы. Такая связь называется металлической.

В металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

Для однозначной ее характеристики используются величины: три ребра (a, b, c) и три угла между осями α, β, γ.

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную (ГПУ).

Расстояния a, b, c между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называются периодами решетки.

Для определения положения атомных плоскостей (проходящих через атомы) в кристаллических пространственных решетках пользуются индексами h, k, l. Для определения атомных направлений пользуются индексами направлений [uvw].

Неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией.