Вопрос 1. Несовершенства кристаллического строения
Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зёрнами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решётки, отличную от ориентировки соседних зёрен, вследствие чего свойства реальных металлов (как кристаллических тел) усредняются, и явления анизотропии не наблюдается.
В кристаллической решётке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства, нарушения строгого расположения атомов), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.
По геометрическим признакам различают следующие структурные несовершенства (дефекты) кристаллического строения:
1) точечные — малые во всех трёх измерениях;
2) линейные — малые в двух измерениях и сколь угодно протяжённые в третьем;
3) поверхностные — малые в одном измерении.
Точечные дефекты
Точечные дефекты являются одними из наиболее распространённых несовершенств кристаллического строения металлов. К точечным дефектам относятся: вакансии, межузельные (дислоцированные) атомы, наличие в узлах кристаллической решётки атомов примесей (рис. 1).
Вакансия — это отсутствие атомов в узлах кристаллической решётки, «дырки» (незанятые атомами места в ячейках кристаллической решётки) (рис. 1а).
Образуются вакансии при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решётки на поверхность (границы зёрен, пустоты, трещины и т. д.), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронное облучение в ядерном реакторе). Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучении и других видах воздействия. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.
Рис. 1. Точечные дефекты.
Атомы примесей (примесные атомы) всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они располагаются в узлах решётки или междоузлиях и могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов (рис. 1б, 1в).
Дислоцированный (межузельный) атом — это атом, вышедший из узла решётки и занявший место в междоузлие (рис. 1в). Межузельные дефекты образуются в результате перехода атома из узла в межузлие кристаллической решётки.
Точечные дефекты вызывают внутренние напряжения и незначительные искажения кристаллической решётки, что приводит к изменению физико-механических свойств тела (прочности, электропроводности, магнитных свойств и т. д.).
Линейные дефекты
Основными линейными дефектами являются дислокации.
Дислокации — это линейные дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей (рис. 2). Для дислокаций характерно наличие лишних атомов, находящихся в междоузлиях.
Различают два вида дислокаций — краевые и винтовые (см. рис. 2).
Краевая дислокация представляет собой местное искажение кристаллической решётки, линию, вдоль которой внутри кристалла обрывается край «лишней» полуплоскости (рис. 2,). Неполная плоскость называется экстраплоскостью (рис. 2б).
|
|
Рис. 2. Дислокации: а- краевая; б- экстраплоскость. |
Рис. 3. Механизм образования винтовой дислокации. |
Винтовая дислокация образуется при помощи частичного сдвига кристалла по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 3) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоёв, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошёл, от части, где сдвиг не начинался.
Дислокации образуются при термической и химико-термической обработках, в процессе кристаллизации, пластической деформации и других видах воздействия на структуру металлов и сплавов.