2. Основы теории дефектов кристаллического строения

Введение в кристаллофизику представлений о различного рода несовершенств кристаллического строения послужило фундаментальной основой для понимания природы сложных внутренних процессов и формирования разнообразных свойств, характеризующих поведение металлических материалов в реальных условиях их применения. Поэтому детальное знакомство с основными положениями теории дефектов кристаллической решетки и ее практическим применением является необходимым условием успешного освоения данного раздела физики.

2.1. Теоретическая и реальная прочность материалов

Предпринимавшиеся ранее попытки дать теоретический расчет прочности материала базировались на законах взаимодействия атомов в идеально построенной кристаллической решетке. В основу была положена простая модель двух рядов атомов, которые смещаются относительно друг друга под действием касательного напряжения (рис.25). При этом предполагалось, что при подобном перемещении все атомы, расположенные друг против друга по обе стороны плоскости скольжения, одновременно меняют своих соседей. Такой механизм одномоментного (мгновенного) смещения всех атомов принято называть схемой жесткого или синхронного сдвига.

Однако экспериментальные результаты показывают, что

теоретически рассчитанное значение прочности, основанное на модели

жесткого сдвига, совершенно не соответствует прочности реальных

кристаллов. И это различие достигает просто фантастических размеров -

теоретическая и реальная прочности различаются на несколько порядков.

Например, у кристаллов меди сдвиг наблюдается при касательном

напряжении (критическом сопротивлении сдвигу), равном 1,0 МПа, в то

46

время как теоретически вычисленная величина составляет 7600 МПа. Для железа реальная величина критического сопротивления сдвигу равна 29 МПа, хотя расчеты показывают, что она должна быть около 11000 МПа.

Указанное существенное расхождение между рассчитанной и действительной прочностью материалов позволяет считать, что использованная при теоретическом анализе модель не соответствует поведению реальных кристаллов, в которых не реализуется схема жесткого сдвига. Эти обстоятельства послужили основой для разработки теории несовершенств кристаллического строения, позволившей раскрыть сущность явлений, происходящих при пластической деформации, понять причину несоответствия теории и практики и установить физическую природу пластичности и прочности кристаллических материалов.

Направление сдвига ►

Плоскость скольжения

ООО ООО

Рис.25. Схема жесткого (синхронного) сдвига:

а) - исходное положение;

б) - после сдвига

а) б)

2.2. Классификация дефектов кристаллического строения

Как отмечалось, совершенным (или идеальным) называется такой кристалл, каждый атом которого имеет идентичное окружение соседних атомов, т.е. определенное их число и на строго фиксированном расстоянии.

При смещении совершенного кристалла на величину

трансляционного вектора он совмещается сам с собой. В результате такого единичного сдвига полностью восстанавливается исходная кристаллографическая конфигурация атомов и, следовательно, сохраняется прежняя кристаллическая структура. Кристалл, часть атомов которого не имеет идентичного окружения, является несовершенным. Области

нарушения правильного, идеального строения кристаллической решетки называются дефектами или несовершенствами. Иными словами, под дефектами кристаллического строения можно понимать нарушения в периодичности расположения атомов в пространстве, в результате которого не все атомы имеют одинаковое окружение. Отклонения атомов от равновесных положений вследствие тепловых колебаний или упругих смещений к числу дефектов кристаллической решетки не относятся.

Дефекты кристаллического строения принято разделять по геометрическому признаку на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные (трехмерные).

Точечные дефекты малы во всех измерениях, их размеры по всем направлениям не превышают нескольких атомных диаметров. К таким несовершенствам относятся вакансии, межузельные атомы, примесные атомы внедрения и замещения, а также их комплексы.

Линейные дефекты в двух измерениях имеют малые размеры, а в третьем - значительную величину, соизмеримую с длиной кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации, цепочки вакансий и межузельных атомов.

Поверхностные дефекты малы только в одном измерении; ими являются границы зерен, субзерен и двойников, границы доменов, поверхность раздела фаз и тому подобные двумерные объекты.

Точечные, линейные и поверхностные дефекты считаются микроскопическими, т.к. (по крайней мере в одном направлении) их протяженность измеряется лишь несколькими атомными диаметрами. В противоположность этим дефектам объемные несовершенства обычно принято относить к типу макроскопических, поскольку имеют во всех трех измерениях сравнительно большие размеры, совершенно несопоставимые с величиной атомного диаметра. В определенных случаях эти дефекты можно наблюдать и невооруженным глазом. К объемным дефектам обычно относят поры, трещины, царапины.

Вместе с тем такое толкование объемных дефектов следует рассматривать как достаточно условное. Как будет показано, объемные дефекты могут быть и микроскопических размеров. Поэтому более корректным является определение их как дефектов, имеющих соразмерные размеры во всех направлениях и представляющих собой трехмерные полости.