Тема 2. Теория обработки материалов давлением
2.1 Дефекты кристаллической решетки
В идеальной кристаллической решетке атомы расположены в строгом порядке, без учета тепловых колебаний атомов и различных искажений решетки. По существу, такая решетка является лишь моделью для изучения строения кристалла.
Реальный кристалл отличается от идеального наличием тепловых колебаний атомов около положений равновесия, их миграцией (диффузией) и различного рода дефектами, нарушающими правильность решетки. Логично было бы предположить, что внешние границы кристалла, повторяя правильность его внутреннего строения, должны иметь плоские грани. Однако этого не происходит. Кристаллизация из расплава идет одновременно из многих центров кристаллизации, и в процессе роста кристаллов они соприкасаются и мешают росту друг друга. Поэтому их внешняя форма не соответствует внутреннему строению. Такие кристаллы с правильной кристаллической решеткой, но неправильной внешней формой, называются монокристаллами, или кристаллитами (рис. 2.1).
Рисунок 2.1
По своей внешней форме кристаллит не является правильным многогранником, но приближается к нему, имея округлые формы. Такой кристаллит называется зерном. Кристаллиты, имеющие ветвистую, древовидную форму, называются дендритами. Совокупность множества кристаллитов называется поликристаллом. Все металлы являются поликристаллами. Свойства кристалла зависят от природы атомов и сил взаимодействия между ними, а последние — от расстояний между атомами. Поскольку расстояния между атомами различны в разных направлениях, то и свойства кристалла неодинаковы по разным направлениям. Это явление, заключающееся в различии свойств тела по разным направлениям, называется анизотропией. Кристаллические вещества анизотропны, в отличие от аморфных тел (например, смолы), которые являются изотропными, со свойствами, одинаковыми по всем направлениям.
Выше говорилось о том, что атомы в узлах решетки находятся в равновесном положении и обладают минимумом потенциальной энергии, что и обеспечивает строгий порядок в их расположении. Этот порядок может нарушаться, атомы могут покидать узлы решетки и внедряться в ее междоузлия. Для того, чтобы это произошло, атом должен получить избыток энергии, достаточный для преодоления энергетического барьера, удерживающего его в узле решетки. Эта избыточная энергия берется из энергии теплового движения атомов ближайшего окружения. Ближайшие атомы колеблются не строго согласованно, и случайное стечение обстоятельств может привести к такому перераспределению энергии их тепловых колебаний, при котором в некотором очаге появится энергия, достаточная для выброса атома из его равновесного положения. Это перераспределение энергии между ближайшими атомами называется энергетической флуктуацией. Дефекты кристаллической структуры подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные. К точечным дефектам относятся вакансии, дислоцированные и примесные атомы. При точечных дефектах нарушение решетки локализуется в отдельных точках и не превышает нескольких межатомных расстояний во всех трех измерениях. К линейным дефектам относятся дислокации. При линейном дефекте искажение решетки в двух измерениях не превышает нескольких атомных расстояний, а в третьем измерении распространяется значительно, например, до границы зерна.
Примеры точечных дефектов показаны на рис. 2.2.
Рисунок 2.2
Основным источником вакансий является свободная поверхность кристалла. Атом поверхностного слоя под воздействием флуктуации может легко выйти из узла решетки и испариться или адсорбироваться на поверхности (см. рис. 2.3). На его месте образуется пустой узел — вакансия. Через некоторое время в эту вакансию может перейти близлежащий атом, в результате чего вакансия переместится во второй слой и т.д. Другими словами, вакансия втягивается в глубь кристалла. Образование вакансии в результате выхода атома на поверхность называется дефектом Шоттки.
Рисунок 2.3
Рисунок 2.4
Источником вакансий являются также границы зерен, пустоты, трещины и дислокации. Концентрация вакансий обычно невелика. Если концентрацию исчислять как число атомов, приходящихся на 1 вакансию, то для золота, например, она составляет 1019 при комнатной температуре и увеличивается до 104 при температуре плавления, т.е. 1 дислокация приходится на 10000 атомов. Увеличение числа вакансий с повышением температуры связано с повышением амплитуды тепловых колебаний атомов и, соответственно, энергии этих колебаний. Возможен выброс атома и в междоузлие решетки, в результате чего образуются вакансия и дислоцированный атом (парный дефект Френкеля). Однако энергетические затраты при образовании такого дефекта существенно выше, чем при выходе атома в вакансию. Рис. 2.4 иллюстрирует изменение энергии атома при выходе из узла плотноупакованной решетки. В узле он обладает минимумом энергии Е. Для того, чтобы выйти из узла, он должен «протиснуться» между атомами 1 и 2, преодолеть потенциальный энергетический барьер Е1. Эту избыточную энергию он получает от соседних атомов и отдает, снова занимая место уже в новом узле. Таким образом, флуктуация — источник образования и вакансий, и междоузельных дислоцированных атомов.
Примеси являются одним из распространенных дефектов структуры реальных кристаллов. Современные способы очистки не позволяют получать абсолютно чистые материалы. В зависимости от природы примесей они могут находиться в кристалле, в междоузлии ячейки (атом внедрения) либо занимать место основного атома в узле ячейки (атом замещения). Т. к. чужеродные атомы по размерам отличаются от атомов основного кристалла, то их присутствие вызывает искажение решетки. Примеси оказывают существенное влияние на химические, оптические, магнитные и механические свойства твердых тел. Данные по исследованию свойств предельно чистых металлов показали, что тщательно очищенное железо химически инертно и не подвергается коррозии, а титан, вольфрам и молибден, являющиеся хрупкими в обычном состоянии, становятся пластичными даже в условиях глубокого охлаждения.