Линейные несовершенства

Линейные дефекты малы в двух измерениях, в третьем они значительно большего размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла. К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и дислокации.

Дислокации - это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. По своей природе они резко отличаются от других дефектов

К основным видам дислокаций относятся краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 2.2)

а) б)

Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Неполная плоскость называется экстраплоскостью.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Экстраплоскость действует как клин (плоскость В), изгибая решетку вокруг своего нижнего края. Над дислокацией атомы в кристалле уплотнены, а под ней раздвинуты. Атом на самой кромке экстраплоскости А—А имеет меньше соседей, чем атом внутри совершенной решетки (рис.2.4).

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки). Вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

Рис. 2.4. Краевая дислокация, возникающая в результате сдвига

Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости и называется краевой (линейной) дислокацией. Краевая дислокация представляет собой быстрозатухающее поле упругих напряжений в кристаллической решетке вокруг края экстраплоскости, вызванное тем, что выше этого края параметры решетки несколько сжаты, а ниже соответственно растянуты.

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная (), если в нижней, то – отрицательная (). Дислокации в кристалле могут взаимодействовать как друг с другом, так и с другими дефектами.

В объеме кристаллов дислокации располагаются в виде сеток. Наряду с сетками могут существовать как отдельные дислокации, так и дислокационные сплетения (клубки), которые возникают при сложном взаимодействии точечных дефектов и дислокаций.

Винтовые дислокации, так же как и краевые, могут быть получены с помощью частичного сдвига (рис. 40) по плоскости Q вокруг линии ЕF. При этом на поверхности образуется ступенька, проходящая не по всей поверхности кристалла, а только от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается как бы в одну атомную плоскость, закрученную по винту вокруг линии ЕF которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.

Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м², или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м³

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После отжига плотность дислокаций - 10⁵…10⁷ м², в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10¹⁵…10 ¹⁶ м ².

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций ρ_кр= 10⁵..10⁷ м². Если плотность меньше значения ρ_кр, то пластичность резко падает, а прочность повышается, приближаясь к теоретической. Таким образом, прочность можно повысить, увеличением плотности дислокаций или созданием металла с бездефектной структурой.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее напряжение, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость.

Границы зерен и блоков имеют большую плотность дислокаций. Термическая обработка и особенно пластическая деформация существенно изменяют плотность дислокаций, что в свою очередь влияет на многие свойства металлов.

Поверхностные дефекты имеют небольшую толщину при значительных размерах в двух измерениях (границы зерен и блоков, дефекты упаковки).

Поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Разориентация зерен и блоков в металле

Зерна (а) в пространстве разориентированы (т.е. не имеют четкой ориентации) и повернуты одни относительно других до десятков градусов. Размеры зерен составляют от 1до 1000 мкм (чаще 100 мкм). Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов (ϴ).

Границы зерен — основной дефект в металлах. Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов. На границах между зернами атомы не имеют правильного расположения. Здесь существует переходная область шириной в несколько атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с иной ориентацией. Строение переходного слоя (границы) способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Это оказывает очень существенное влияние на свойства металла в целом (механические, электрические, магнитные, коррозионную стойкость и т. д.).

Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов (ϴ₁). Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.

В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков (б), размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса (ϴ₂). Такую структуру называют блочной или мозаичной.

Дефект упаковки — это тонкое плоское образование, нарушающее порядок упаковки атомных слоев. Дефекты упаковки создаются сдвигом, внедрением, удалением одной плотноупакованной плоскости или ее части.

Дата добавления: 2014-01-06