Дефекты строения кристаллических материалов

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Но для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих пе-

риодичность расположения атомов. Эти дефекты оказывают существенное влияние на все свойства материала. Различают три типа дефектов кристаллического строения в зависимости от их размеров: точечные, линейные, поверхностные.

Точечные дефекты (рис. 1.3, а,б) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся:

а) свободные места в узлах кристаллической решетки – вакансии;

б) атомы других элементов, находящиеся в узлах кристаллической решетки основного элемента – примесные атомы замещения;

в) атомы элементов с малым диаметром, располагающиеся в междоузлиях решетки (в атомных порах), – это примесные атомы внедрения.

Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации, под воздействием тепловых, механических, электрических воздействий. Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии – перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для данного металла. Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению металла. Атомы замещения создают небольшие искажения в решетке, поэтому слабо упрочняют сплав. Атомы внедрения значительно сильнее искажают решетку, резко упрочняют сплав.

а) б) в) г)

Рис.1.3. Вакансия в решетке элемента А (а), примесный атом замещения В и внедрения С (б), экстраплоскость дислокации Э (в), схема образования атмосферы Котрелла (г)

Дислокации – это линейные дефекты. Их размеры в двух измерениях – порядка атомных, а в третьем они соизмеримы с длиной кристалла. На рис. 1.3, в показан кристалл, верхняя часть которого сдвинута относительно нижней на одно межатомное расстояние. Вертикальную атомную плоскость,

которая не имеет продолжения, называют экстраплоскостью, область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости – краевой дислокацией. Дислокации легко перемещаются в направлении перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемещаются дислокации, тем ниже прочность металла.

Закрепление дислокаций различными барьерами приводит к повышению прочности сплава. Движению дислокаций в кристаллической решетке оказывают сопротивление примесные атомы, растворенные в ней, отдельные дислокации, скопления дислокаций. Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей внедрения, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплоскости. Эта цепочка инородных атомов называется атмосферой Котрелла (рис. 1.3, г). Эти атмосферы блокируют движение дислокаций, резко повышают прочность и вызывают хрупкость сплава.

Дисперсные включения второй фазы – один из главных факторов торможения дислокаций. Механизм упрочнения показан на рис. 1.4, а.. Частицы второй фазы действуют как препятствия движению дислокаций, но дислокации не перерезают и не деформируют частицы, а под действием приложенного напряжения выгибаются между частицами и пробегают дальше, оставляя кольца дислокаций вокруг частиц, которые и упрочняют сплав. Чем меньше размер упрочняющих частиц и меньше расстояние между ними, тем выше упрочнение сплава.

а) б)

Рис. 1.4. Схема прохождения дислокации через дисперсные включения (а); теоретическая и фактическая прочность металлов (б),

Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла. Она в сотни или даже тысячи раз превышает фактически затрачиваемое усилие при пластической деформации. Так, теоретическая прочность железа составляет 13000 МПа, а фактическая – всего 250 МПа. Такое расхождение объясняется тем, что пластическая деформация кристалла осуществляется не одновременным разрывом всех атомных связей в плоскости скольжения, а путем постепенного перемещения дислокации. Каждый элементарный шаг перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной атомной связи. В результате такого перемещения дислокация выйдет на поверхность кристалла и исчезнет, оставив ступеньку пластической деформации.

Таким образом, повышение прочности промышленных сплавов может быть достигнуто двумя путями: получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки (монокристаллы, нитевидные кристаллы-«усы»), либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций (примесные атомы, дислокации) – рис. 1.4, б.

Поверхностные дефекты – границы зерен и субзерен. Границей зерна называют поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией на угол более 10 – 15° – это высокоугловые границы. Субзерна принадлежат одному зерну, разориентировка кристаллических решеток субзерен не превышает 10°. Такие границы называют малоугловыми. Малоугловые границы представляют собой систему дислокаций, они слабо взаимодействуют с другими дислокациями и практически не упрочняют сплав. Атомное строение высокоугловых границ более сложное, кроме того, на таких границах сосредотачиваются легкоплавкие примеси, включения интерметаллидов. Такие границы блокируют движение дислокаций и упрочняют сплав. Уникальной особенностью зернограничного упрочнения является то, что при реализации этого механизма одновременно с увеличением прочности, происходит и повышение пластичности сплава. В общем случае высокоугловые границы имеют более рыхлое строение, поэтому на границах зерен в первую очередь начинают развиваться дефекты от воздействия коррозии, повышенной температуры, переменных нагрузок.

Дата добавления: 2014-01-07