Дефекты реальных кристаллов

В рассмотренных видах атомно-кристаллического строения металлов было принято геометрически правильное, идеальное расположение атомов в объеме кристаллической решетки. Однако реальное строение отличается от идеального присутствием различных отклонений – дефектов кристаллической решетки. Их существование связанно с тепловыми колебаниями собственных, однородных атомов решетки, с наличием в реальной атомной структуре чужеродных атомов, а также внутренних напряжений.

Тепловое движение заключается не только в колебаниях атомов, но и в поступательном их перемещении, что представляет самодиффузию. При этом процессе происходят как нарушения правильного строения решетки с образованием дефектных мест, так и их восстановление.

Чужеродные атомы всегда имеются даже в самом чистом металле, в сплавах они содержатся в определенных количествах. Перемещение атомов в этих условиях зависит от сил межатомной связи, концентрации чужеродных атомов и обусловливает процесс диффузии.

Внутренние сдвиговые напряжения возникают под влиянием пластической деформации, которая заключается во взаимном смещении атомных слоев, что вызывает появление различных дефектов.

Классификация дефектов решетки производится по геометрическим характеристикам и включает их следующие основные виды: точечные, линейные, поверхностные, объемные.

Идеальный кристалл бесконечен, нарушение бесконечности представляет дефект, следовательно, всякая поверхность кристалла (пора, граница, свободная поверхность) является дефектом.

Точечные дефекты имеют размеры, близкие к межатомному расстоянию и включает вакансии, межузельные собственные атомы металла и чужеродные атомы (рис. 7). Они возникают вследствие тепловых колебаний атомов и в результате пластической деформации.

Вакансия (дефект Шоттки) представляет пустой узел решетки, который образуется за счет выхода из этого узла атома с повышенной энергией (рис. 7, а). Последующая диффузия такого атома может вывести его к свободной поверхности, к поверхности поры, границе зерен. Его место занимает соседний атом, образуя вакансию, и таким образом вакансии перемещаются.

Рис. 7. Виды точечных дефектов: а – вакансия, б – межузельный атом,
в – чужеродный атом

Объем одной вакансии составляет 0,47 объема атома, поэтому в равновесной структуре при данной температуре имеется определенная, равновесная концентрация вакансий. При температуре, близкой к температуре плавления, доля вакансий составляет 2% от общего числа атомов, равного 10²⁰ в 1 см³.

Равновесная концентрация поддерживается протеканием процессов появления и уничтожения вакансий на граничных и свободных поверхностях структуры. Высокотемпературную концентрацию вакансий можно сохранить путем быстрого охлаждения структуры.

Межузельные атомы (дефекты Френкеля) появляются в результате их выхода из узлов решетки с оставлением вакансий и внедрением в пространство между узлами (рис. 7, б,в). Это внедрение может произвести как собственный атом решетки, так и чужеродный атом, для чего требуется значительно больше энергии, чем для занятия вакантного узла. Поэтому основными точечными дефектами кристаллической решетки являются тепловые вакансии.

Наличие точечных дефектов нарушает равновесное состояние соседних атомов и приводит к их смещению вокруг вакансии в объеме двух- трех атомных слоев на величину в несколько долей межатомного расстояния. Такое смещение вокруг межузельного атома значительно превышает смещение вокруг вакансии, в результате этих искажений решетки заметно изменяются некоторые физико-механические свойства металлов.

Линейные дефекты отличаются значительной протяженностью в направлении одной линии и очень малыми размерами в других направлениях кристаллической решетки. К ним относятся цепочки уже известных точечных дефектов, а также дислокации – границы между областью структуры с завершенной ее деформацией по определенным плоскостям сдвига и областью с незавершенной деформацией (рис. 8). При этом в решетке возникает лишняя атомная плоскость – экстраплоскость с оборванным краем АВ, представляющим линию дислокации (рис. 8, а).

Рис. 8. Схема образования дислокаций: а– краевая дислокация,
б – винтовая дислокация

При образовании линии дислокации АВ, перпендикулярной вектору сдвига t, ее называют краевой дислокацией, если же появляется линия дислокации EF, параллельная вектору сдвига, то дислокацию называют винтовой.

Краевая дислокация представляет в поперечном сечении лишнюю атомную полуплоскость, расположенную вдоль всего протяжения плоскости сдвига АВСД (рис. 8, а). Вблизи краевой дислокации кристаллическая решетка в сравнении c бездефектной областью получает сдвиговые и нормальные напряжения, которые упруго распространяются на 3...5 межатомных расстояний, искажая правильную геометрию решетки.

Винтовая дислокация рассматривается как ось EF, вокруг которой по винтовой линии закручена атомная плоскость (рис. 8, б). Упругие искажения решетки вокруг этой оси представляют только сдвиговые напряжения и также распространяются на несколько периодов решетки.

Мерой этих искажений и энергии дислокаций служит вектор Бюргерса, представляющий разность b между периметром контура А’АВСD, проведенного по атомным плоскостям вокруг центра дислокации, и периметром контура АВСD, проведенного по таким же плоскостям вокруг атома бездефектной решетки (рис.9).

Рис. 9. Схема определения вектора Бюргерса: а – контур АВСД вокруг атома бездефектной решетки, б – контур А^/АВСD вокруг центра дислокации,
А^/А = b – вектор Бюргерса

Величина вектора Бюргерса равна сумме упругих искажений решетки на линии контура и не зависит от размеров и формы контура. Если дислокация является полной, то вектор Бюргерса равен периоду решетки: b=a, у частичной дислокации вектор Бюргерса не равен периоду. Для нескольких дислокаций вектор Бюргерса составляет геометрическую сумму векторов каждой дислокации.

Дислокация – подвижный эффект и не может оборваться внутри структуры. Она либо выходит на поверхность, либо образует петлю или соединяется с другими дислокациями, что происходит под действием небольших касательных напряжений. При таких перемещениях дислокационная полуплоскость переходит в полную атомную плоскость, а ее место занимает соседняя плоскость. Краевая дислокация перемещается по плоскости скольжения, винтовая – в любой плоскости, проходящей через ось дислокации.

Подвижность дислокаций можно характеризовать, применив аналогию с перемещением тяжелого ковра, когда для его движения путем последовательного создания сдвиговых складок, подобных дислокациям, требуются небольшие усилия.

Энергия дислокаций и силы их взаимодействия пропорциональны квадрату величины вектора Бюргерса. При этом принимается, что дислокации, находящиеся сверху плоскости сдвига, условно имеют положительный знак, а расположенные снизу плоскости сдвига – отрицательный знак. В процессе перемещений дислокации одинакового знака отталкиваются, разного знака – притягиваются и при контактировании взаимно уничтожаются.

Перемещением дислокаций осуществляется пластическая деформация металлов так, что чем легче перемещаются дислокации, тем легче происходит деформация, поскольку при этом она обеспечивается путем смещения небольшого числа атомов, а их основное количество остается неподвижным.

Дислокации взаимодействуют с точечными дефектами, притягивая вакансии и этим снижая общую энергию. Чужеродные атомы скапливаются около линии краевой дислокации и образуют атмосферу Коттрелла, что уменьшает подвижность дислокаций, повышая сопротивление деформации.

Возникновение дислокаций связано с процессами кристаллизации, а также деформации металла, когда в нем возникают внутренние напряжения сдвига.

Плотность дислокаций r оценивается суммарной протяженностью их линий å l в единице объема структуры V:

см^-2.

В зависимости от состояния напряжений в кристаллической структуре плотность дислокаций изменяется в широких пределах (табл. 2).

Таблица 2

Плотность дислокаций различных материалов

Кристаллический материал	Плотность r, см^-2
Кристаллические усы	без дислокаций
Полупроводниковый монокристалл	10^3
Отожженный металлический монокристалл	10^5
Отожженный поликристалл	10^7
Деформированный металл	10^10
Закаленная сталь	10^12
Гальваноосажденный металл	10^13

Плотность дислокаций оказывает большое влияние на физико-механические свойства материалов, например, на электрические свойства полупроводников, на механические свойства металлов. С появлением дислокаций и других дефектов реальные характеристики прочности приобретают на порядок меньшую величину в сравнении с расчетной, теоретической прочностью. Однако при повышении плотности дислокаций сверх критической величины r=10⁷ см^-2 происходит увеличение показателей прочности (рис. 10).

Две восходящие ветви графика определяют два возможных пути упрочнения металлов: за счет уменьшения числа дефектов структуры для повышения степени ее совершенства (кривая 1) либо методами увеличения числа дефектов, затрудняющих их перемещение – применением легирования, термической обработки, пластического деформирования (кривая 2).

Рис. 10. Влияние плотности дислокаций на прочность металлов

Поверхностные дефекты располагаются на определенной площади в структуре, будучи очень малыми по толщине. Так как металлы, применяемые в технике, являются поликристаллическими, то поверхностные дефекты представляют границы между кристаллическими зернами (кристаллитами), между субзернами – блоками мозаики, а также имеют вид дефектов упаковки (рис. 10).

Рис. 11. Схема межкристаллитных и межблочных границ зерен

Межкристаллитные границы возникают в процессе образования и роста зерен из-за появления их различной кристаллографической ориентации с большим угловым разворотом в несколько десятков градусов. При этом граница приобретает характер промежуточного слоя толщиной в 3...5 атомных слоев, где решетка одного зерна переходит в решетку другого. В такой зоне оказывается нарушенным правильный порядок расположения атомов, здесь образуется повышенная плотность дислокаций, скапливаются чужеродные атомы.

Межблочные границы в каждом зерне формируются субзернами – блоками структуры с малой взаимной угловой разориентацией, составляющей не более 5°. Их границы состоят из дислокаций, стремящихся занять равновесные положения и образующих дислокационные стенки.

При уменьшении размеров блоков и увеличении угла их разориентации возрастает плотность дислокаций в кристаллических зернах, повышается уровень потенциальной энергии граничных слоев. В падающем свете микроскопа такая блочная поверхность зерен создает отражение в виде мелких пятен различной яркости, из-за чего эту структуру называют мозаичной.

Дефекты упаковки атомов образуются в виде ограниченной дислокациями части атомной плоскости, где различный запас энергии атомов создает отклонения от правильного чередования атомных слоев.

Наибольшее влияние оказывают поверхностные дефекты на механические свойства металлов, при этом главная роль принадлежит границам зерен. С уменьшением размеров зерен возрастает протяженность их границ, что заметно повышает предел текучести, ударную вязкость металлов и в меньшей степени увеличивает их предел прочности.

Объемные дефекты характеризуются большими размерами по всем трем направлениям и представляют трещины, поры, раковины, другие несплошности кристаллической структуры. Их поверхности служат участками скопления вакансий, чужеродных атомов, дислокаций, что создает здесь повышенный запас свободной энергии.

Аморфные металлы (металлические стекла МС) получают путем высокоскоростного охлаждения металла из парообразного, ионизированного или жидкого состояния, обеспечивая их затвердевание прежде, чем произойдет кристаллизация, из-за чего в образующейся структуре отсутствует дальний порядок в расположении атомов. В результате сплавы приобретают особые механические и физико-химические свойства, что обеспечило их эффективное применение в приборостроении и других отраслях техники.

Дата добавления: 2014-10-31