Дефекты кристаллического строения металлов

В реальных металлических кристаллах идеальное расположение атомов нарушено, т.е. в кристалле имеется значительное число дефектов.

Наличие дефектов в кристаллах очень сильно влияет на их свойства. Дефекты в кристаллах обычно характеризуют размерностью.

По этому признаку дефекты деляг на четыре группы: то-

печные, линейные, поверхностные и объемные.

Первый, наиболее распространенный тип точечного дефекта в кристалле - эго узел решетки, в котором отсутствует атом или ион. Такой дефект называется вакансией. Другим точечным дефектом является межузельный атом (внедренный или дислоцированный атом). Такой дефект возникает при смещении атома или иона в положение, которое не является узлом решетки. Вакансии в принципе могут встречаться в любых типах решетки, в то время как межузельные атомы легче возникают в решетках менее гшотноунакованных. Поэтому в ГЦК металлах, являющихся в обычных условиях плотноуиакованными, межузельные атомы встречаются редко. При нормальных температурах (комнатных) в хорошо отожженных ГЦК металлах, приведенных к равновесным условиям, в качестве межузельных атомов могут встречаться лишь атомы примесей, характеризующиеся малыми размерами, (атомы углерода, азота, водорода) (рис. 5).

Положение междоузлий в ГЦК решетке

Рис. 4. Положение междоузлий в ГЦК решетке: а -одна из возможных тетраэдрических пустот; б - октаэдрическая пустота; 1 - атомы металла в узлах кристаллической ячейки; 2 - атомы

в пустотах

Для образования точечных и других дефектов в кристаллической решетке необходима затрата энергии. Так, для образования вакансии в ГЦК решетке меди требуется энергия около 1 эВ, а для образования межузельного атома примерно 2,5... 3 эВ. Концентрация вакансий и межузельных атомов зависит от температуры и с повышением температуры растет.

Положение междоузлий в ОЦК решетке

Рис. 5. Положение междоузлий в ОЦК решетке:

  • 1 - одна из октаэдрических пустот; 2 - одна из тетрагональных пустот;
  • 3 - атомы металла в узлах кристаллической ячейки.

Температурная зависимость концентрации дефектов где N - общее число атомов,

п - число смещенных, или дислоцированных атомов или вакансий)

описывается выражением;

где 11 - энергия образования дефекта;

А - константа порядка единицы;

к - постоянная Больцмана, равная 1,38 10 23 Дж/°С;

Т - температура, К.

При изменении температуры от комнатной до температуры плавления концентрация вакансий увеличивается на 10... 12 порядков и при температуре, близкой к температуре плавления, достигает ~ 1 %. Количество же межузельных атомов растет с температурой еще быстрее (но сравнению с их числом при комнатной температуре), хотя при любой температуре их число остается значительно меньшим но сравнению с числом вакансий. Точечные дефекты могут объединяться в пары или более крупные комплексы. Точечные дефекты не являются неподвижными образованиями, они могут перемещаться в кристалле, особенно при повышенных температурах. С движением вакансий и межузельных атомов неразрывно связаны процессы диффузии и самодиффузии, которые несколько подробнее будут рассмотрены далее.

Второй тип дефектов-это линейные дефекты, называемые дислокациями. Первоначально гипотеза о существовании дислокаций была выдвинута в 1934 г. Орованом, Поляни и Тейлором для того, чтобы объяснить различие между теоретически рассчитанной и действительно наблюдаемой прочностью кристаллов. В настоящее время получено огромное количество экспериментальных подтверждений реальности существования этих линейных дефектов. Установлено, также, что они оказывают огромное влияние на все свойства кристаллов.

Различные схемы краевой дислокации (на рис. б видна вставленная полуплоскость)

Рис. 6. Различные схемы краевой дислокации (на рис. б видна вставленная полуплоскость)

Различают два основных типа дислокаций - краевые и винтовые.

Дислокации обоих типов образуются путем сдвигов отдельных участков кристалла, приводящих к нарушению идеальности кристаллической решетки.

Простую модель дислокации можно представить, разрезав кусок упругого твердого тела вдоль линии АВ (рис. 6, а) и сдвинув одну часть относительно другой на одно межатомное расстояние так, что в кристалле образуется ступенька высотой в одно межатомное расстояние. Более общее определение дислокации такое: дислокацией называется линейный дефект (несовершенство), образующий внутри кристалла границу зоны сдвига. Краевую дислокацию можно представить и как лишнюю полуплоскость, вставленную в кристалл (рис. 6-6). Лишняя полуплоскость может находиться как ниже, так и выше плоскости сдвига. В нервом случае дислокацию условно принято называть положительной, во втором - отрицательной. Для более точной характеристики дислокаций вводится понятие вектора Бюр- герса, т.е. вектора, который показывает направление сдвига и его величину. Для краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен линии дислокации, величина его равна межатомному расстоянию в направлении сдвига.

Для второго типа дислокаций - винтовых - линия дислокации и вектор Бюргерса параллельны (рис. 7).

В случае винтовой дислокации лишней полуплоскости нет, и при введении винтовой дислокации в кристалл его решетка видоизменяется гак, что система дискретных плоскостей превращается в непрерывную геликоидальную поверхность.

Схема винтовой дислокации

Рис. 7. Схема винтовой дислокации

Как не связанные с отдельной плоскостью и характеризующиеся меньшими искажениями, винтовые дислокации более подвижны, они могут легко переходить из одной плоскости в другую.

Винтовые дислокации могут быть правовинтовые и лево- винтовые.

При образовании винтовой дислокации сдвиг кристалла вдоль линии дислокации осуществляется вверх или вниз на одно межатомное расстояние.

Наличие дислокаций в кристалле приводит к упругому искажению кристаллической решетки.

При наличии отрицательной краевой дислокации атомы, расположенные выше плоскости скольжения, упруго растянуты, а ниже - сжаты (и, наоборот - в случае положительной дислокации). Поэтому энергия кристалла с дислокациями выше энергии бездефектного кристалла. Под действием приложенных внешних сил дислокации движутся в кристаллах, взаимодействуют друг с другом и другими дефектами (точечными, плоскими). Дислокации противоположного знака притягиваются друг к другу, а одинакового - отталкиваются.

В участки кристалла вблизи краевых дислокаций, где решетка растянута, легко перемещаются вакансии и межузельные атомы, образуя скопления примесных атомов, называемых облаками Коттрелла.

Дислокации образуются не только при деформации, но и при кристаллизации, в процессе сращивания границ зерен, при образовании ступенек на поверхности роста кристаллов и т.п.

Дислокационная структура кристаллов количественно характеризуется плотностью дислокаций

где Д, - суммарная длина дислокаций, см;

Vч, - объём кристалла, см3.

Плотность дислокаций в отожженных кристаллах колеб-

с 7 9

легся от 10 до 10 см' , а в деформированных может достигать

1 л *2 1и СМ .

Третий тин дефектов - плоские. Одним из наиболее распространенных плоских дефектов являются дефекты упаковки-, дефект упаковки внедрения - присутствие в кристалле «лишней» плотноупакованной плоскости и др.

Как и дислокации, дефекты упаковки играют важную роль в деформации кристаллов.

Другая разновидность плоских дефектов - двойники. Двойником называется часть кристалла, в которой кристаллическое строение является зеркальным отражением остальной части кристалла (рис. 9). Плоскость симметрии, связывающая две зеркально симметричные части кристалла, называется плоскостью двойникования - например, плоскость (111) на рис. 9.

Схема образования двойников в ГЦК кристалле

Рис. 9. Схема образования двойников в ГЦК кристалле:

1 - положение атомов до двойникования; 2 - совпадающее положение атомов; 3 - двойниковое положение атомов

Еще одним видом плоских дефектов являются дислокационные стенки. Дислокационная стенка - это скопление дислокаций одного знака в плоскости (плоская стенка) или вдоль определенной поверхности (границы кручения).

Объемные дефекты (трехмерные) - эго поры, трещины, усадочные раковины и т. и. Они имеют значительную, но сравнению с атомами, протяженность во всех трех направлениях кристалла.

Поверхностные и плоские дефекты связаны с наличием границ зерен и блоков в металлах. Реальные поликристалличе- ские материалы состоят из большого числа кристаллов - зерен,

размер которых может изменяться, как правило, от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров. В свою очередь каждое зерно не является идеальным кристаллом, а состоит из отдельных фрагментов (блоков или субзерен), размер которых примерно в тысячу раз меньше размера зерна. Эти блоки повернуты друг относительно друга на очень небольшую величину (от нескольких угловых секунд до нескольких минут). В пределах каждого блока решетка почти идеальна, но разворот одного блока относительно другого обусловлен наличием дислокаций, а именно дислокационными стенками. Эти блоки образуются в кристалле в процессе кристаллизации или рекристаллизации и оказывают существенное влияние на многие свойства кристаллов, особенно механические.

Границы между отдельными блоками (малоугловые границы) являются переходными областями, в которых ориентировка одной части кристалла переходит в ориентировку другой части кристалла. Множество блоков, слегка повернутых друг относительно друга на доли градуса в одном зерне, образуют структуру, которая называется мозаичной или субструктурой. Гораздо большая разориентировка кристаллических решеток наблюдается по границам зерен. Здесь разориентировка достигает порядка 1 - 5 °.

Границы зерен (большеугловые границы) представляют собой широкую (но сравнению с блочными 1раницами) область, которая также состоит из дислокаций, точечных дефектов, примесей. По границам зерен наряду с плоскими дефектами могут существовать и объемные дефекты.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >