Лекция 2. Строение реальных металлов. Дефекты кристаллического строения

Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл, т. е. кусок металла, представляющий собой один кристалл. Размеры монокристаллов невелики, их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве, т. е. они имеют поликристаллическое строение.

Эти кристаллы, обычно называемые зернами, имеют неправильную форму. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются и явления анизотропии не наблюдается.

В кристаллических решетках реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки — это нарушения укладки атомов в решетке.

Различают следующие структурные несовершенства:

- дефект решетки, малый во всех трех измерениях (b=3∙10^-8 см) — точечный;

- малый в двух измерениях и сколь угодно протяженный в третьем — линейный;

- малый лишь в одном измерении — плоский (двумерный, поверхностный).

Точечные дефекты - вакансии, дислоцированные атомы, атомы примесей - распространенные несовершенства кристаллической структуры.

Вакансии — это отсутствие атомов (ион-атомов) в узлах кристаллической решетки, «дырки» по терминологии Я. И. Френкеля, которые образовались вследствие различных причин (рис. 36, а).

Источником вакансий могут быть свободная поверхность кристалла, где нормальные колебания атомов менее всего затруднены (рис. 37); границы зерен, в которых нарушено правильное расположение атомов.

Миграция вакансий происходит в результате последовательных перескоков от одного узла кристаллической решетки к другому соседнему. Если в металле отсутствует заметное силовое поле, то процесс миграции вакансий к их стокам может быть беспорядочным.

Выходя на наружную поверхность или поверхность внутреннего дефекта, вакансия исчезает, но одновременно где-то образуются новые дырки. При образовании вакансии изменение объема кристалла оказывается меньше атомного объема примерно в два раза так как окружающие вакансию атомы смещаются из равновесных положений. При этом кристаллическая решетка искажается, полная энергия кристалла уменьшается.

Число вакансий и их концентрация зависят от температуры и обработки. Число вакансий значительно увеличивается с повышением температуры, после закалки и т. д. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. В этом случае они могут объединяться в пары, образуя дивакансии. Поскольку при этом уменьшается их суммарная поверхность, устойчивость такой спаренной вакансии возрастает. Возможно также образование тривакансий и целых цепочек. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Наличие вакансий в решетке сообщает атомам подвижность, т. е. позволяет им перемещаться в процессе самодиффузии и диффузии и тем самым оказывает влияние на такие процессы, как старение, выделение вторичных фаз и т. п.

Дислоцированные атомы - атомы, вышедшие из узла кристаллической решетки и занявшие место где-то в междоузлии (рис. 36, б). Концентрация дислоцированных атомов невелика, так как для их образования требуется существенная затрата энергии (например, облучение металла ядерными частицами). При этом на месте переместившегося атома также образуется вакансия.

Поскольку практически невозможно выплавить металл химически чистым, в любом объеме металла всегда присутствует какое-то количество чужеродных атомов примесей.

Примесные атомы занимают в кристаллической решетке либо места основных атомов, либо внедряются внутрь ячейки. Так возникает еще одна разновидность точечных дефектов (рис. 36, в).

Вокруг вакансий, дислоцированных атомов и атомов примесей (последние всегда отличаются по размерам от размеров основных атомов) нарушается правильность кристаллического строения, но эти изменения невелики, они составляют не больше нескольких атомных диаметров. Точечные дефекты, мигрируя в кристалле, могут взаимодействовать как друг с другом, так и с другими дефектами.

Дата добавления: 2014-01-06