1.6.3. Влияние дефектов кристаллической решетки на прочность металла

Теоретически прочность железа должна составлять 130000 МПа, а фактически она равна 250 МПа. Это связано с тем, что деформация осуществляется не одновременным смещением плоскостей атомов, а постепенным перемещением дислокаций. В результате своей трансформации она выходит на поверхность кристалла и исчезает. При ограниченной плотности искажений кристаллической решетки сдвиг происходит тем легче, чем больше дислокаций в объеме металла. Они могут воздействовать друг на друга, вызывая взаимное уничтожение себя самих. Чем выше плотность дислокаций, тем больше затруднено их движение. В результате требуется приложение большей нагрузки, что вызывает упрочнение металла. Увеличение стойкости можно вызвать наклепом, термической и термомеханической обработкой.

Дислокации служат местом концентрации примесных ядер, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные ядра образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую атмосферу Коттрела, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл. Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определенный предел текучести металлов в 1000 раз меньше теоретического значения. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженным состоянием. Прочность бездефектных участков (в том числе, длинных и тонких «усов», полученных кристаллизацией из газовой фазы), приближается к теоретической.

В полупроводниках дислокации влияют на электрические и другие свойства, снижают электросопротивление, уменьшают время жизни носителей. Особенно значение дислокаций возрастает в микроэлектронике, где применяются тонкие пленочные кристаллы и дислокации играют роль мелких проводящих каналов, вдоль которых легко перемещаются примесные ядра.

1.6.4. Методы исследования строения, структуры и свойств металлов

Современные металлы и сплавы, различаясь по составу и строению, обладают разнообразными свойствами. Чтобы получить полную информацию о свойствах металлов, сплавов и качестве их слитков, используют не один какой-то метод анализа, а их совокупность, которые по своим данным дополняют друг друга.

Изучение свойств металлов начинается с определения химической чистоты. Ее исследуют количественным анализом. Когда не требуется большой точности, применяют спектральные методы. Более точные сведения получают из рентгеноструктурного анализа.

Методы анализа подразделяются на макро- и микроструктурные.

Макроструктурные методы заключаются в изучении строения и структуры металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы. Анализ осуществляют чаще всего на макрошлифах, получающихся из крупных заготовок путем вырезания темплетов, поверхность которых шлифуют и травят специальными реактивами. Макроструктурные методы позволяют наблюдать одновременно большую поверхность образца или детали. С помощью макроанализа устанавливают вид изломов (вязкость, хрупкость), величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла, характер предшествующей его обработки и др. Кроме того, он дает возможность обнаружить газовые пузыри, усадочные пустоты, трещины, химическую неоднородность сплава, вызванную кристаллизацией или созданную термической, а также химико-термической (цементация, азотирование) обработкой.

Методами микроструктурного анализа исследуют поверхностное строение металлов с использованием оптических микроскопов при относительно больших увеличениях – обычно от 50 до 2000 раз. При таком увеличении можно обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм. Изучение микроструктуры выполняют на специально приготовленных микрошлифах. Они должны обладать зеркальной поверхностью. Микрошлифы представляют собой небольшие образцы, вырезанные из детали в определенном направлении. Исследуемую поверхность микрошлифа шлифуют, полируют и травят. После полирования на таком образце видны микротрещины и неметаллические включения (графит, оксиды, сульфиды и т. д.). В результате травления микрошлифов можно выявить форму и размеры отдельных зерен кристаллов металла. Микроанализ позволяет установить величину, форму и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие, изменение внутреннего строения металлов и сплавов в зависимости от условий их получения и обработки.

При необходимости рассмотрения деталей за пределами разрешающей способности оптических металломикроскопов применяют электронные, в которых изображение формируется при помощи потока быстро летящих электронов. Различают прямые и косвенные методы исследования структуры. Косвенные методы основаны на специальной технике приготовления тонких слепков – пленок (реплик), отображающих рельеф травленого шлифа. Ими можно исследовать детали с минимальным размером 2 – 5 нм (20 – 50 Å). Прямые методы позволяют изучать образцы в виде фольги толщиной до 300 нм (3000 Å) на просвет с помощью электронных микроскопов высокого разрешения, а именно 0,3 - 0,5 нм (3 - 5 Å). Данный способ дает возможность наблюдать даже различные несовершенства кристаллического строения: дислокации, дефекты упаковки, скопления вакансий и др.

Методом фрактографии определяют характер разрушений (хрупкое, пластичное, внутризеренное и межзеренное) и относительную скорость процесса, а также изменение данных параметров по мере развития трещины, вследствие которой произошло разделение тела.

При изучении изломов можно выявить зоны, в которых наиболее неблагоприятно сочетаются условия нагрузки, что нельзя выявить другими способами, а также получить сведения о том, как протекал процесс разрушения.

К другим методам анализа относятся: термический, дилатометрический, электрический, магнитный и внутреннего трения. Данные методы позволяют исследовать определенные свойства металлов и материалов на их основе.