Дефекты кристаллического строения металлов

На основе флуктуации тепловой энергии объясняют возникновение дефектов кристаллической решетки металлов. Дефекты решетки классифицируют по геометрическому признаку на точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты (вакансии и внедрения) имеют атомные размеры. Вакансии — это недостающие атомы в кристаллической решетке (рис. 2.7). Одна из основных причин появления вакансий — тепловые флуктуации. Для того чтобы атом вырвался из своего узлового положения в решетке, ему необходима дополнительная энергия. На основе рассмотрения силового электростатического взаимодействия в двухмерной решетке вычислен приблизительный уровень этой энергии —?u « 1 эВ (1 эВ = 1,6-1019 Дж).

Общее количество вакансий определяется как относительная вероятность пребывания атома в состоянии с энергией, превышающей энергию образования вакансии Еа:

где пв — число вакансий; N — число атомных узлов решетки.

Точечный дефект — «вакансия»

Рис. 2.7. Точечный дефект — «вакансия»

Точечный дефект — «внедрение»

Рис. 2.8. Точечный дефект — «внедрение»

По этой закономерности для алюминия при температуре 20 °С одна вакансия приходится на 10 атомов, а при температуре 660 °С (температура плавления алюминия) одна вакансия приходится на 103 атомов.

Точечный дефект кристаллической решетки — внедрение — представляет собой наличие избыточных атомов, проникших в решетку, но не занимающих ее узлов. Эти дефекты бывают двух типов: 1) атомы внедрения представляют собой одноименные атомы основного металла; 2) атомы внедрения разноименные (легирующего элемента) по отношению к основному металлу.

Атомы внедрения деформируют кристаллическую решетку (рис. 2.8).

При образовании дефекта внедрения энергия кристаллической решетки возрастает, так как атом проникает в область, где велики силы отталкивания между внедренным атомом и его соседями. По величине электростатических сил эта энергия оценивается в 3...5 эВ. А количество дефектов внедрения пвн определяется аналогичным образом по вероятности флуктуаций с энергией образования внедрения Евн:

где а — целое число, характеризующее количество одинаковых междоузлий в расчете на один атом решетки.

Линейный дефект — краевая дислокация

Рис. 2.9. Линейный дефект — краевая дислокация

Для внедрения инородного атома энергия образования внедрения определяется соотношением атомного размера инородного атома относительно основного металла. Атомы небольших размеров по отношению к атомам металлов (водород, азот, углерод) значительно легче и при малых энергетических затратах образуют дефекты внедрения.

Линейные дефекты кристаллической структуры металлов — дислокаций — представляют собой линии искажения идеальных кристаллических решеток. Наглядно дислокация представляет линию искажения, проходящую вдоль края лишней атомной плоскости (рис. 2.9). Знаком JL обозначено ядро дислокации: выше ядра дислокации — пять атомных плоскостей, а ниже — четыре атомные плоскости. Соответственно, выше ядра дислокации в решетке имеют место напряжения растяжения, а ниже — напряжения сжатия. Напряжения и деформации решетки максимальны вблизи ядра дислокации, а по мере удаления значительно уменьшаются. Дислокация, изображенная на рис. 2.9, получила название краевой дислокации.

Кроме краевых дислокаций в металлах и сплавах различают винтовые дислокации. Суть винтовой дислокации состоит в условном сдвиге атомной плоскости относительно соседней атомной плоскости, вызывающей возникновение напряженного состояния.

Дислокации, как краевые, так и винтовые, могут перемешаться по кристаллической решетке по двум механизмам: скольжением и переползанием. Для краевой дислокации скольжение — движение по нормали к плоскости скольжения и соответствует добавлению или удалению атомов из лишней полуплоскости. Переползание — движение дислокации с краевой компонентой вглубь кристалла или при частичном выдвижении лишней плоскости к наружной поверхности.

Очень логично вышеописанными механизмами движения дислокаций объясняется пластическая деформация металлов.

Экспериментальным подтверждением наличия дислокаций служат правильно расположенные «ямки травления» на полированных поверхностях металлических образцов. При сошлифовывании небольшого слоя металла и повторном травлении «ямки» оказываются в тех же зонах, что свидетельствует об их линейном расположении. А факт появления ямок объясняется более интенсивным удалением атомов при травлении, находящихся в зоне напряженного состояния — дислокации.

Поверхностные дефекты кристаллической решетки — это дефекты упаковки решетки. Дефекты упаковки типа вычитания соответствуют удалению одной плотноупакованной плоскости, а дефекты упаковки типа внедрения — включение добавочной атомной плоскости. К поверхностным дефектам относятся двойниковые дефекты, возникающие на границе двух совершенных кристаллов, каждый из которых находится в зеркальном отображении относительно дефектной плоскости. Одной из разновидностей поверхностных дефектов является малоугловая граница — своего рода недоразвитая граница, когда разориентация соседних зерен не превышает 10°.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >