Порядок и беспорядок в мире атомов

Гексагональная решетка

Определение индексов кристаллографических плоскостей и нап­равле-ний в гексагональной решетке производится аналогично опи­санному для кубической решетки с одной разницей: здесь отрезки и соответствующие им индексы определяют относительно не трех, а четырех осей: x, y, u, z. X, y, u расположены в плоскости базиса под углом 120° друг к другу, а ось z вертикально, как показано на рис. 2.5, 2.6.

Рассмотренные выше закономерности расположения атомов в решетке относятся к идеальным кристаллам. В природе порядок и беспорядок сосуществуют, и одно предопределяет другое. Разница лишь в мере, или соотношении их. Всё рассмотренное выше относится к «порядку». В реальном же кристалле наряду с «порядком» наблюдается и определенная доля «беспорядка». Это проявляется в наличии некоторого количества дефектов, или несовершенств кристаллического строения. Хотя их относительная концентрация может быть небольшой, но изменения, вызванные ими, могут быть весьма существенными. Атомные дефекты могут влиять на механические, электрические, магнитные, оптические и др. свойства кристаллов. В качестве иллюстрации приведем лишь один пример: тысячные доли атомного процента некоторых примесей к чистым полупроводниковым кристаллам изменяют их электрическое сопротивление в 10⁵ - 10⁶ раз.

Дефекты (несовершенства) кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные).

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. Их размеры не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы, примесные атомы замещения и внедрения и их комплексы. Эти дефекты являются наиболее локализованной областью внутренних напряжений и деформаций и отличаются наибольшей диффузионной подвижностью. Это обусловливает их особую роль в формировании очагов замедленного разрушения сварных соединений.

Современные представления о длительной прочности сварных соединений в существенной мере опираются на теорию точечных дефектов, кинетику возникновения и аннигиляции вакансий. Определяющая роль принадлежит вакансиям в механизме и кинетике диффузии и самодиффузии. В то же время на обычные механические свойства они практически не влияют.

К линейным дефектам относятся дислокации. Они были введены в теорию твердого тела в 1934 г. Тейлором, Орованом и Поляни, чтобы объяснить очень большое (в 10³ - 10⁴ раз) различие между теоретически рассчитанной Я.И. Френкелем (исходя из прочности химических связей) и реальной экспериментально определяемой прочностью (сопротивление деформированию). Изучать их свойства экспериментально стало возможным после появления электронного микроскопа (~ 1950 г.г.). Теория дислокаций, объяснившая причину низкой прочности реальных металлов, достигла полного признания, когда удалось получить бездислокационные кристаллы, так называемые «усы» (очень малого диаметра - порядка одного мкм при длине в несколько мм), прочность которых оказалась близка к теоретической. Зависимость между реальной прочностью и плотностью дислокаций схематически представлена на рис. 2.7.

Наименьшая прочность и одновременно наибольшая пластичность (min зависимости) обеспечивается после отжига. При этом плотность дислокаций 10⁷ -10⁸ см/см³. Весьма трудно, а при обычных макроразмерах и невозможно, уменьшить плотность дислокаций, чтобы реализовать упрочнение по крутовозрастающей левой ветви. На практике используют упрочнение по правой пологовозрастающей ветви за счет наклепа, упрочняющей термообработки, легирования, введения в металл дисперсных частиц и др. методов создания элементов структуры, обеспечивающих торможение скользящих дислокаций.

Поверхностные, или двумерные, дефекты малы только в одном измерении. К ним относятся границы зерен, блоков, двойников, дефекты упаковки, границы доменов в сверхструктуре. Эти дефекты, обладая повышенной энергией, упруго взаимодействуют с дислокациями и, затрудняя их скольжение, обеспечивают упрочнение металла. Большое значение при сварке давлением имеет строение непосредственной поверхности твердого тела. Причем особые свойства поверхности (и физические, и химические) позволяют рассматривать ее как особый дефект, к ликвидации которого и приводит сварка.

Изложенные дефекты кристаллического строения являются непременным атрибутом твердого тела. Практически невозможно или весьма трудно получить кристалл без них. А вырастить кристалл без вакансий даже теоретически невозможно. Дефекты существенно влияют на структуру и свойства металлов. В отличие от сварки плавлением велика их роль и в механизме формирования неразъемных соединений при сварке давлением. В связи с этим рассмотрим их виды, классификацию, взаимодействие с поверхностью и влияние на свойства и поведение кристалла более подробно.

Дата добавления: 2014-01-07