1.2 Кристалічна будова металів.

Кристалічна будова металів характеризується закономірним, геометрично вірним розташуванням атомів (іонів) у просторі. Елементарною кристалічною коміркою називається такий найменший об’єм, який дає нам уявлення про взаємне розташування атомів у всьому кристалі. Переважна більшість металів має одну з перелічених нижче елементарних кристалічних комірок (стенд):

• ОЦК – об’ємноцентровану кубічну(Cr, Mo, W, V)

• ГЦК – гранецентровану кубічну(Al, Ni, Cu, Pb)

• ГПУ – гексагональну щільноукладену.(Cd, Be, Zn, Mg)

• Тетрагональну (мартенсит)

Усі метали та сплави у твердому стані є тілами кристалічними.

1.3 Дефекти кристалічної будови.

На відміну від ідеальних, реальні кристали мають багато різних дефектів – зон кристалу, де порушено правильне розташування атомів. За геометричною ознакою дефекти кристалічної будови поділяють на: точкові, лінійні, поверхневі, об’ємні.

Точкові дефекти ( нульвимірні ) дуже малі в усіх трьох вимірах у просторі: їх розміри не перевищують декількох параметрів кристалічної комірки. До таких дефектів належать вакансії, міжвузлови атоми, атоми домішок тощо.

Вакансією називається порожнє місце в кристалі, де мав би перебувати атом (рис. 1,а). Утворення вакансії за механізмом Шотткі бачимо на рис.2. Ос- кільки атоми коливаються навколо положення рівноваги, то окремий атом, наприклад, атом 1 з вищою ніж середня енергією, покидає вузол кристалічної ґратки й потрапляє на поверхню кристалу або на границю між зернами. На місці, де перебував атом 1, утворилась вакансія (рис.2,а), яку заповнює згодом атом 2 (рис.2,б), а потім атом 3 (рис.2,в). В результаті відбувається міграція вакансії в глибину кристалу.

Рис.1. Точкові дефекти

а – вакансія, б - міжвузловий атом, в - атом домішки

Кожній температурі відповідає своя рівноважна концентрація вакансій. Що вища температура кристалу, то більше в ньому вакансій і частіше вони переходять від вузла до вузла. При температурі, близькій до температури топлення металу, кількість вакансій становить близько 1 % від числа атомів у кристалі. Пересичення вакансіями може наступити внаслідок раптового охолодження під час гартування, пластичної деформації або опромінення металу нейтронами. З часом пересиченість вакансіями зменшується за рахунок їх виходу на поверхню кристалу чи на границі зерен. Вакансії сприяють перебігу дифузійних процесів. Зі збільшенням кількості вакансій зменшується густина, електро- і теплопровідність кристалу.

Рис.2. Схема утворення вакансії за механізмом Шотткі.

Міжвузловим вважається атом, що вийшов із положення рівноваги і зайняв простір між вузлами (рис. 1,б). На його місці утворилась вакансія (на рисунку не показана). Перехід атомів у міжвузлове положення викликає опромінення нейтронами і значно менший вплив мають теплові коливання атомів.

Атоми домішок є навіть у найчистішому металі. Вони або заміщають атоми основного металу у вузлах кристалічної ґратки (рис.1,в) або розташовуються між вузлами (як на рис. 1,б). У близькому оточенні точкових дефектів кристалічна гратка викривляється. Такі спотворення суттєво не позначаються на механічних властивостях металу, зате вони позначаються на деяких його фізичних властивостях, наприклад, на електроопорі.

Лінійні порушення будови кристалу мають малі розміри в двох вимірах і велику довжину в третьому. Дуже важливими серед лінійних дефектів є крайові та гвинтові дислокації, їх назва походить від латинського слова dislocation, що в перекладі означає розміщення. Крайова дислокація — це лінія АВ (рис.3) на краю зайвої атомної півплощини АВЕС в кристалі. Одним із способів утворення крайової дислокації є зсув частини атомів кристалу відносно іншої частини атомів на ділянці площини ковзання АВСВ (рис.3,а) під дією прикладеної сили F. Внаслідок такого зсуву у верхній частині кристалу маємо на одну атомну площину більше, ніж у нижній. Зайва площина АВЕС, яка перпендикулярна до напрямку зсуву, називається екстраплощиною. Вона не має продовження у нижній частині кристалу. Екстраплощина ніби розклинює кристал, зближаючи атоми над дислокацією і розсуваючи їх під нею. Тому в невеликій спотвореній зоні — ядрі дислокації — міжатомні відстані менші або більші від нормальних, а поза межами ядра вони нормальні. Крайова дислокація АВ простягається на багато тисяч міжатомних відстаней. Пересування дислокації під дією сили може відбуватись доти, поки вона не вийде на поверхню кристалу, де утвориться сходинка (рис.3,в). Якщо екстраплощина є у верхній частині кристалу, то дислокація умовно вважається позитивною і позначається знаком __, а якщо екстраплощина лежить у нижній його частині, то — негативною і позначається Т.

Рис.3. Крайова дислокація АВ, яка виникає внаслідок зсуву:

F – прикладена сила

Дислокації можуть взаємодіяти як між собою, так і з іншими дефектами. Оскільки над дислокацією існує локальна зона пружних деформацій стиснення, то сусідні дислокації з однаковим знаком взаємно відштовхуються, а з протилежним знаком — взаємно притягаються. При цьому дислокації з різними знаками, рухаючись на зустріч в одній площині ковзання, можуть взаємно знищуватись (анігілювати), утворюючи з двох півплощин одну повну площину.

а б

Рис.4. Схема визначення вектора Бюргерса:

а – реальний кристал;

б – ідеальний кристал; в – вектор Бюргерса

В зону розсунутих атомів стікаються атоми домішок і розташовуються вздовж краю екстраплощини. Таке скупчення домішкових атомів називається атмосферою Коттрелла. З підвищенням температури концентрація домішкових атомів біля дислокацій зменшується, а зі зниженням температури— зростає.

Спотворення кристалу в ядрі дислокації оцінюють вектором Бюргерса. Для знаходження вектора Бюргерса розглянемо два кристали: один — недосконалий із крайовою дислокацією (рис.4,а) і другий досконалий без дислокації (рис.4,6).Навколо крайової дислокації за межами спотвореного ядра, тобто в тих вузлах, де спотворень практично немає, проведемо від вузла А контур у вигляді вертикальних і горизонтальних відрізків АВ, ВС, СD і DА, що з'єднують сусідні вузли ґратки. Він замкнеться на відрізку ВА, який складається не з шести, а з п'яти міжатомних відстаней. Якщо такий самий помістить в собі шість міжатомних відстаней. Різниця довжин відрізка D'А' контуру в досконалому кристалі і відрізка DА контуру в кристалі з крайовою дислокацією називається вектором Бюргерcа й позначається буквою . Вектор Бюргерcа дорівнює одній міжатомній відстані й у випадку крайової дислокації перпендикулярний до лінії дислокації АВ.

Кількісною характеристикою дислокаційної структури є густина дислокацій ρ, яка дорівнює відношенню сумарної довжини дислокацій Σl до об'єму кристалу v:

Густина дислокацій помітно впливає на механічні властивості: з її збільшенням зростає міцність і знижується пластичність металів. Дислокації виникають під час кристалізації, пластичної деформації, фазових перетворень. Швидкість дифузії вздовж дислокацій значно вища, ніж в кристалах без дислокацій.

Рис.5. Схема гвинтової дислокації АВ:

F – прикладена сила

Гвинтова дислокація є лінією АВ (рис.5), що нею обмежена площина Q, в якій відбувся зсув сусідніх частин кристалу на одну міжатомну відстань в напрямку дії сил F. При цьому паралельні атомні площини в безпосередній близькості від лінії дислокації АВ трансформуються у гвинтову поверхню. В ядрі дислокації атоми зсунуті з положень рівноваги. Гвинтові дислокації, на відміну від лінійних, не притягують вакансій і міжвузлових атомів. Гвинтова дислокація вважається правою, якщо хід її гвинтової поверхні такий, яку правої різі, і лівою, якщо хід— яку лівої різі. Теорія дислокацій вперше була застосована в 30-х роках 20-го століття для пояснення процесу пластичної деформації в кристалічних тілах і для врахування величезної невідповідності між теоретичною і практичною міцністю металів.

Поверхневі дефекти малі в одному вимірі й значно більші в двох інших. До цих дефектів належать границі зерен, границі фрагментів і блоків. Конструкційні метали та їх стопи мають полікристалічну будову: вони складаються із безлічі дрібних кристаликів — зерен (риc.6). Сусідні зерна мають неоднакову орієнтацію кристалічних ґраток (рис.6,а). Між зернами існують вузькі перехідні зони шириною до декількох атомних діаметрів — границі зерен із нерегулярним розташуванням атомів (риа.6,б). На границях концентруються дислокації і домішки. Зерно не є кристалом ідеальної будови. Воно складається з фрагментів, а фрагменти — з блоків. Ґратки сусідніх фрагментів розорієнтовані на кут до кількох градусів, а ґратки сусідніх блоків — на кут менший за один градус. На границях фрагментів і блоків концентруються дислокації. Якщо розорієнтація сусідніх зерен становить декілька десятків градусів, то такі границі називають великокутовими, а при розорієнтації до 5° маємо малокутові границі. Малокутові границі властиві фрагментам і блокам; вони утворюються під час холодної деформації, рекристалізації й полігонізації.

Рис.6. Схема що ілюструє різну орієнтацію кристалічних граток зерен (а) і границі зерен (б):

о – атоми, розташовані всередині зерен і • - атоми на границях зерен

По границях зерен порівняно легко здійснюється дифузія. Границі зерен мають помітний вплив на механічні властивості металів. Що дрібніші зерна, то вища пластичність і міцність металів.

Рис.7. Міжблокова границя, утворена крайовими дислокаціями:

а – відстань між сусідніми атомами;

d – відстань між дислокаціями;

 – кут розорієнтування сусідніх блоків

До об’ємних дефектів можна зачислити локальні нагромадження точкових дефектів – вакансій, а також газові порожнини й неметалеві включення.