1.3. Дефекты строения кристаллических тел

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой много­кратное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают суще­ственное влияние на свойства материала.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.

1.3.1. Точечные дефекты

Т очечные дефекты (рис. 4) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся: а) свобод­ные места в узлах кристаллической решетки – вакансии; б) ато­мы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в междуузельные промежутки – дислоцированные атомы; в, г) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междуузлиях кристаллической решетки, – примесные атомы.

Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вслед­ствие тепловых движений атомов при любой температуре. При комнатной температуре концентрация вакансий и дислоцирован­ных атомов сравнительно невелика, но резко повышается при нагреве, особенно вблизи температуры плавления. Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в резуль­тате диффузии.

Прямым доказательством образо­вания вакансий в кристаллической решетке может служить эксперимент с нагревомдвух одинаковых образцов алюминия до температуры, на нес­колько градусов меньшей его тем­пературы плавления. Если охлаж­дение этих образцов провести с раз­ной скоростью, то при комнатной температуре объем быстро охлажден­ного (закаленного) образца будет на 0,2 % больше, чем объем медленно охлажденного (отожженного) образ­ца. Объясняется это тем, что при температуре, близкой к температуре плавления, благодаря диффузии части атомов к поверхности в металле образуется большое число ва­кансий. В случае медленного охлаждения большинство атомов успе­вает вернуться в исходное положение, при быстром охлаждении не успевает. Эти вакансии остаются в структуре закаленного образца. Если же закаленный образец вновь нагреть и медленно охладить, разница между объемами образцов исчезает.

Точечные дефекты производят локальное изменение межатом­ных расстояний, тем самым искажая кристаллическую решетку. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кри­сталлов и повышает их электросопротивление.

1.3.2. Линейные дефекты

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важным видом линейных дефектов являются дислокации.

Теория дислокаций была впервые применена в середине трид­цатых годов нашего века физиками Орованом, Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристаллических тел. Ее использование позволило объяснить природу проч­ности и пластичности металлов. Теория дислокаций дала возмож­ность объяснить огромную разницу между теоретической и прак­тической прочностью металлов. Интересно, что создание стройной теории дислокаций надолго опередило возможность их практиче­ского обнаружения. Существование дислокаций было предсказано значительно раньше, чем было выявлено их присутствие в металле. Дислокации были обнаружены лишь с помощью электронного микроскопа благодаря сопутствующим деформациям или искаже­ниям кристаллической решетки.

Из ниже приведенных схем видно, что атомы над краевой дисло­кацией испытывают сжатие, а нижние атомы – растяжение. При прохождении пучка электронов через такое искажение решетки происходит дифракция. Дислокации выявляются также с по­мощью травления химическими реактивами. В местах выхода дислокаций на полированную поверхность металла скорость хими­ческого травления выше.

Н а рис. 5а приведена схема участка кристаллической решетки с одной «лишней» атомной полуплоскостью, т. е. краевой дисло­кацией. Линейная атомная полуплоскость PQQ'P называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости – линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозна­чают знаком , если в нижней – то отрицательной и обозначают знаком ┬. Различие между дислокациями часто условное. Пере­вернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную, Знак дислокации позволяет оценить результат их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного – притягиваются.

Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовы­ваться и винтовые дислокации (рис. 5б). Винтовые дислокации могут быть получены путем частичного сдвига атомных слоев по плоскости Q, который нарушает параллельность атомных слоев. Кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии EF. Ли­ния EF является линией дислокации. Она отделяет ту часть пло­скости скольжения, где сдвиг уже завершился, от той части, где сдвиг еще не происходил. Винтовая дислокация, образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часо­вой стрелки – левой.

Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кри­сталлическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже растянута.

Дисклокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций ρ обычно понимают суммарную длину дислокаций Σl, приходящуюся на единицу объема V кристалла: . Таким образом, размерность плотности дислокаций ρ: см/см³ или см^-2. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 10⁶ – 10⁸ см^-2, после холодной деформации она увеличивается до 10¹¹ – 10¹² см^-2, что соответствует примерно 1 млн. километров дислокаций в 1 см³.

Плотность дислокаций может быть определена эксперимен­тально при больших увеличениях подсчетом числа выходов дисло­каций на единицу площади предварительно протравленного металлографического шлифа, а также при изучении на просвет структуры тонких пленок в электронном микроскопе.

Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстра­плоскости. Такие атомы снижают уровень упругих искажений дислокационной структуры. Цепочки инородных атомов образуют так называемые «атмосферы Коттрелла» или «облака Коттрелла». С повышением температуры облака Коттрелла рассеиваются. При понижении температуры по достижении предела раствори­мости они могут образовывать дисперсные выделения второй фазы.