Ионные кристаллы.
В сложных кристаллах, состоящих из элементов различной валентности, возможно образование ионного типа связи. Представитель этой группы – кристалл оксида FeO, решётка которого состоит из отрицательно заряженных ионов кислорода и положительно заряженных ионов железа. Перераспределение валентных электронов при ионной связи происходит между атомами одной молекулы (одним атомом железа и одним атомом кислорода).
Дефекты кристаллов.
Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, а потому нет идеально правильного расположения атомов во всём объёме кристалла.
Дефекты кристаллов подразделяют:
точечные;
линейные;
поверхностные;
Точечные дефекты. К ним относятся: вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис.1.13).
Вакансии – являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов: диффузия, спекание порошков и т.д. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют.
Линейные дефекты – краевые и винтовые дислокации (рис.1.14). Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решётке. Вокруг дислокаций решётка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса (рис.1.15). У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации – параллелен ей.
На рис. 1.16 показана схема движения дислокаций под действием тангенциальных напряжений (τ).
На рис.1.17 показана зависимость сопротивление деформации металлов, определяемое значениями Ϭв, Ϭт от плотности дислокаций (ρ), которая определяется как суммарная их длина, см, в 1 см3, т.е. выражается в см-2. Теоретически рассчитанная прочность идеального кристалла в 103 раз выше экспериментально определённых значений для реального кристалла. К теоретической прочности приближается прочность практически бездефектных кристаллов – нитевидные кристаллы («усы»). К настоящему времени удалость получить кристаллы, практически не содержащие дислокаций. Эти нитевидные кристаллы небольших размеров (длиной 2 – 10 мм и толщиной 0,5 – 2,0 мкм), обладают прочностью, близкой к теоретической. Так, нитевидные кристаллы железа имеют предел прочности Ϭв = 13000 Мпа, а техническое железо – только 300 Мпа. Наименьшими значением прочности обладают чистые и отожжённые металлы (плотность дислокаций 106 – 108 см-2).
Расчёт учёных показал, что наиболее высшая прочность, которой можно достичь увеличением количества дефектов в металле, около 1010 – 1012 см2 Это объясняют тем, что дислокации начинают препятствовать деформационным смещениям друг другу (образования дислокационных сеток).
Если количество дислокаций превышает 1012 – 1013, то прочность металла резко падает из-за разрушения кристаллов в местах большого скопления дефектов.
Рис.1.13 Вакансия и межузельный атом
В настоящее время много способов повышения прочности изделий (легирование, обработка металлов давлением, термическая обработка и т.д.), но до сих пор мы не можем точно сказать, что такое прочность. На этот вопрос, однако, не может быть однозначного ответа. С одной стороны, прочность – сопротивление пластической деформации; с другой, - сопротивление хрупкому разрушению; с третьей, - сопротивление износу; с четвёртой, - стойкость против коррозии; с пятой, - способность выдерживать высокие температуры под нагрузкой и т. д.
В зависимости от того, в каких условиях должна работать та или иная деталь, важнее оказываются те или иные приданные ей качества. Вот почему, говоря дальше о прочности металлических изделий, мы каждый раз будем иметь в виду не какую-то абстрактную прочность, а вполне конкретную способность металлического изделия сопротивляться определённым внешним воздействиям.
а
б
Рис.1.14 Краевая дислокация (а) и винтовая дислокация (б)
а
б
Рис.1.15 Контур и вектор Бюргерса у краевой (а) и винтовой (б)
дислокации
Рис.1.16 Схемы движения дислокаций
Поверхностные дефекты. Наиболее важными поверхностными дефектами являются больше угловые и мало угловые границы, дефекты упаковки, границы двойников (рис.1.18, 1.19).
Границы между зёрнами называются больше угловыми, так как соответственные кристаллографические направления в соседних зёрнах образуют углы в десятки градусов. Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзёрен и блоков.
Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения. Границы субзёрн представляют собой стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзёрна и блоки. Угол взаимной разориентации между соседними субзёрнами невелик (не более 5о), поэтому такие границы называются мало угловыми. На мало угловых границах также скапливаются примеси.
|
Рис.1.17 Зависимость сопротивление деформации от числа дефектов
Рис.1.18 Граница субзерна
Рис.1.19 Границы зёрен и субзёрен
Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоёв рис.1.20.
Рис.1.20 Дефект упаковки
Границы двойников представляют образование в монокристалле областей с закономерно измененной ориентацией кристаллической структуры. Структуры двойниковых образований являются либо зеркальным отражением атомной структуры материнского кристалла (матрицы) в определенной плоскости, либо образуются поворотом структуры матрицы вокруг кристаллографической оси на некоторый угол, постоянный для данного вещества, либо другими преобразованиями симметрии. Пара — матрица и двойниковое образование — называется двойником рис.1.21.
Рис.1.21 Граница двойников
Выводы.
Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно больше значение имеют границы зёрен. Предел текучести σt связан с размером зёрен d зависимостью σt = σо + k d-1/2, где σо и k – постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения. Аналогично, но более слабо влияет на механические свойства размер субзёрен.
Размер зерна определяется по ГОСТу (рис.1.22).