1.3. Анізотропія властивостей металів.
Щільність розташування атомів по різноманітних площинах (ретикулярна щільність) неоднакова. Так, площині (100) в ОЦК-гратці належить лише 1 атом (1/4х4), площині ромбічного додекаедра (110) 2 атоми: 1 атом вносять атоми, що знаходяться у вершинах (1/4х4), і 1 атом у центрі куба. У ГЦК-гратці площиною з найбільш щільним розташуванням атомів буде площина октаедра (111), а в ОЦК-гратці - площина (110).
Внаслідок неоднакової щільності розташування атомів у різноманітних площинах і напрямках гратки багато властивостей окремого кристала залежать від напрямку вирізки зразка стосовно напрямків у гратці. Подібна неоднаковість властивостей монокристала в різних кристалографічних напрямках має назву анізотропії.
Кристал - тіло анізотропне, на відміну від аморфних тіл (скла, пластмаси тощо), властивості яких не залежать від напрямку. Технічні метали є полікристалами, тобто складаються з великої кількості анізотропних кристалітів, які по різному орієнтовані один відносно іншого. Тому у всіх напрямках властивості більш-менш однакові - полікристалічне тіло є псевдоізотропним. Така уявна ізотропність металу не буде спостерігатися, якщо кристаліти мають однакове переважне орієнтування в якихось напрямках. Ця орієнтованість (текстура) може створюватись, наприклад, у результаті холодної деформації – у цьому випадку полікристалічний метал набуває анізотропію властивостей.
Рис.1.6. Індекси кристалографічних площин
1.4. Дефекти кристалічної будови металів
У будь-якому реальному кристалі завжди є дефекти будови, які розділяються за геометричними ознаками на точкові (нульмірні), лінійні (одномірні) і поверхневі (двомірні).
Точкові дефекти (рис.1.7) малі у всіх трьох вимірах, і розміри їх не перевищують декількох атомних діаметрів. До точкових дефектів відносяться вакансії та міжвузлові атоми. Вакансії (дефекти Шоттки) - це вузли гратки, у яких атоми відсутні (рис.1.7). Вакансії найчастіше утворюються в результаті переходу атома з вузла гратки на поверхню, їхнього випаровування з поверхні кристала чи переходу в міжвузловий простір. У кристалі завжди є атоми, кінетична енергія яких значно перевищує середню, властиву заданій температурі нагрівання. Такі атоми, особливо розташовані поблизу поверхні, можуть вийти на поверхню кристала, а їхнє місце займуть атоми, що знаходяться далі від поверхні. Тоді вузли, які належали їм, виявляться вільними, тобто виникнуть теплові вакансії.
Джерелами теплових вакансій є вільні поверхні, межі зерен, пустоти та тріщини. З підвищенням температури концентрація вакансій зростає. При температурі, близькій до температури плавлення, їхня кількість може досягати 1% числа атомів у кристалі. Швидким охолодженням від даної температури можна зафіксувати ці вакансії при нормальній температурі (так звані гартівні вакансії). Кристал, що знаходиться при даній температурі в термодинамічній рівновазі, має рівноважну концентрацію теплових вакансій. Крім одиничних вакансії (рис.1.7), можуть утворюватися також подвійні, потрійні і їхні угруповання.
Вакансії утворюються не тільки при нагріванні, але й у процесі пластичної деформації, рекристалізації і при бомбардуванні металу атомами чи частками високих енергій (опромінення в циклотроні чи в ядерному реакторі).
Міжвузлові атоми (дефекти Френкеля) утворюються в результаті переходу атома з вузла гратки в міжвузловий простір (рис.1.7). На його місці виникає вакансія. Однак через те, що в гратках, характерних металам, енергія утворення міжвузлових атомів у декілька разів перевищує енергію теплових вакансій, то основними точковими дефектами є теплові вакансії.
Точкові дефекти викликають місцеве спотворення кристалічної гратки (рис.1.7) і впливають на деякі фізичні властивості металів (електропровідність, магнітні властивості) і фазові перетворення.
Лінійні дефекти мають малі розміри в двох вимірах і велику протяжність у третьому. Ними можуть бути декілька вакансій чи міжвузлових атомів. Найважливішим видом лінійних недосконалостей є дислокації - крайові та гвинтові. Крайові (рис.1.8) предсталяють собою локальні спотворення кристалічної гратки, викликані наявністю "зайвої" атомної напівплощини. Найпростіший спосіб утворення дислокації в кристалі - зсув (рис.1.8). Якщо верхню частину кристала змістити відносно нижньої на одну міжатомну віддаль, то границя АВ є дислокацією. Гвинтова дислокація утворюється внаслідок згину атомних площин по гвинтовій лінії. Навколо дислокацій виникають спотворення гратки.
Дислокації утворюються у процесі кристалізації металів при "захлопуванні" групи вакансій, у процесі пластичної деформації чи фазових перетворень. Характеристикою дислокаційної структури є щільність дислокацій - сумарна довжина дислокацій (у см) на одиницю об’єму кристала (у см3).
Поверхневі дефекти представляють собою поверхні розділу між окремими зернами в полікристалічному металі.
Рис.1.7. Точкові дефекти у кристалічній гратці Рис.1.8. Лінійні дефекти (крайова
дислокація)
Рис.1.9. Поверхневі дефекти (границя зерен)