Основные дефекты кристаллических решёток

Теоретические расчёты свойств металлов, построенные на предположении об идеальном расположении атомов в пространственной решётке, существенно отличаются от свойств, полученных на реальных кристаллах. Оказалось, что дефекты кристаллической решётки оказывают решающее влияние на прочность, пластичность и другие свойства металлов и сплавов.

По геометрическому признаку дефекты подразделяют на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объёмные (трёхмерные).

Точечные дефекты. Имеют малые размеры во всех трёх измерениях и составляют не более нескольких атомных диаметров. Эти дефекты нарушают кристаллическое строение, наличие примесных атомов приводят к существенному изменению свойств. К точечным дефектам относятся:

- вакансии;

- межузельные атомы;

- примесные атомы внедрения, замещения и их комплексы.

Рисунок 3 — точечные дефекты в кристаллической решётке
а — вакансия	б — межузельный атом

Вакансии являются важнейшим, наиболее распространённым видом точечных дефектов. Вакансия представляет собой узел решётки кристалла, в котором отсутствует атом или ион металла. В плотноупакованных металлах образование вакансий по сравнению с другими дефектами решётки требует наименьшей энергии. Поэтому в условиях теплового равновесия вакансии преобладают. Вокруг пустого узла или атома в междоузлии решётка искажается.

Вакансии образуются при облучении металла ядерными частицами, при закалке, при пластической деформации вследствие некомпенсированной диффузии элементов и т.д. При облучении атом может выйти из узла решётки в междоузлие из-за получения высокой энергии при ударе. Наиболее легко образуются тепловые вакансии, когда атом поверхностного слоя приобретает избыток энергии от соседней и легко испаряется от кристалла. Через некоторое время на место атома поверхностного слоя переходит атом из соседнего более глубокого слоя. Так образуется вакансия, которая переходит в глубь кристалла. Источником вакансий являются свободные поверхности кристалла, поры и трещины внутри него, границы зёрен, а также взаимодействие движущихся дислокаций. Указанные места являются источниками вакансий в случае, если кристалл ещё не насыщен ими. Если же кристалл пересыщен вакансиями, то в указанные места стекаются и исчезают вакансии. Это наблюдается при закалке. При случайных столкновениях вакансии объединяются в пары, они более подвижны и устойчивы, чем одиночные вакансии. Присутствие вакансий в кристаллической решётке металлов обеспечивает атомам достаточно высокую подвижность и способствует формированию новых фаз при достижении определённой концентрации атомов в тех или иных участках кристаллов.

Вакансии взаимодействуют не только друг с другом, но и с другими дефектами — межузельными атомами, дислокациями, с атомами примесей и т.д.

Линейные дефекты. Важнейшим видом линейных дефектов являются дислокации. Дислокации представляют собой такие дефекты, движение которых вызывает пластическую деформацию кристаллов при напряжениях, существенно меньших теоретической прочности на сдвиг. Дислокация ограничивает поверхность, на которой произошёл сдвиг. Такая дислокация называется краевой.

Рисунок 4 — Краевая дислокация в кристалле с кубической решёткой	Рисунок 5 — Сдвиг в кристалле в результате дислокации а — краевой; б — винтовой; в — смешанной

Краевая дислокация характеризуется вектором Бюргерса или сдвиговым вектором смещения. Он является мерой искажения кристаллической решётки, вызванного наличием дислокации, определяет величину и направление смещения атомов и является главной количественной характеристикой дислокации. Для оценки степени искаженности решётки, вызванной наличием дислокации, сравнивается несовершенный кристалл, содержащий дислокацию, с совершенным кристаллом. С этой целью строят контур Бюргерса. Это замкнутый контур произвольной формы, построенный в реальном кристалле путём последовательного обхода дефекта от атома к атому в совершенной области кристалла. Если в реальном кристалле контур, содержащий та кое же количество одинаковых шагов, как и в идеальном кристалле, не замыкается, то величина вектора, необходимая для замыкания контура в реальном кристалле, является вектором Бюргерса. Вектор Бюргерса располагается перпендикулярно линии краевой дислокации.

Кроме краевой дислокации бывают винтовые и смешанные. Винтовую дислокацию можно получать с помощью операций разрезания и смещения или сдвигом по плоскости скольжения за счёт движения дислокации вглубь от поверхности совершенного кристалла. Если до сдвига кристалл состоял из параллельных горизонтальных атомных слоёв, то после сдвига по плоскости структура кристалла превратилась в конце плоскости разреза из идеальной в однуатомную плоскость, закрученную в форме геликоида, представляющего собой винтовую дислокацию. Вектор Бюргерса винтовой дислокации параллелен линии дислокации. У смешанных дислокаций вектор Бюргерса составляет с линией дислокации переменный угол. У дефектов недислокацонного типа вектор Бюргерса равен нулю. Вдоль всей линии дислокации вектор Бюргерса одинаков и является инвариантом дислокации. Поэтому дислокация не может обрываться внутри кристалла, а обрывается только на границе кристалла или образует замкнутые петли, узлы внутри кристалла.

Рисунок 6 — Контур Бюргенса
а — вокруг краевой дислокации	б — эквивалентный контур в совершенном кристалле	в — вокруг винтовой дислокации	г — эквивалентный контур в совершенном кристалле

Если вектор Бюргерса равен одному межатомному расстоянию, то дислокации называют единичными, если несколькими, то многократными или дислокациями большой мощности. Дислокации большой мощности энергетически неустойчивы и распадаются на однократные. Если вектор Бюргерса менее одного межатомного расстояния, то дислокация является неполной (частичной). Неполные дислокации играют очень большую роль при протекании процессов деформации и упрочнения в металлах с решёткой ГЦК. Дислокации повышают энергию кристалла, увеличивают его Удельный объем и являются центром поля внутренних напряжений в кристаллах. При перемещении дислокации взаимодействуют друг с другом с протеканием дислокационных реакций.

Дислокации могут возникать по следующим механизмам.

1. В процессе кристаллизации с образованием винтовой дислокации: кристалл растёт путём присоединения атомов к ступеньке на новом слое. Присоединение атомов к ступеньке на поверхности фронта кристаллизации приводит к вращению ступеньки. Атомная плоскость закручивается по спирали. Рост кристалла при наличии винтовой дислокации энергетически выгоден и не требует больших переохлаждений.

2. При кристаллизации дислокации зарождаются под действием возникающих напряжений, связанных с всегда имеющимся небольшим несоответствием при сопряжении двух решёток. Чем выше степень несоответствия двух решёток, тем больше плотность дислокаций несоответствия.

3. Из-за скопления примесей при кристаллизации и образования слоёв с различающимися межатомными расстояниями, которые вызывают появление упругих напряжений и затем структурных дислокаций на границе между соседними слоями.

4. При срастании разориентированных ветвей дендритов кристаллов. Тогда на границе между ними возникают дислокации.

5. Дислокации могут образоваться по вакансионному механизму. Поскольку при быстром охлаждении резко снижается равновесная концентрация вакансий, кристалл сильно пересыщается вакансиями. Избыточные вакансии конденсируются в форме дисков, которые затем захлопываются с образованием дислокации. В ГЦК кристаллах такие дислокации обычно имеют форму шестиугольника.

6. Дислокации образуются в процессе пластической деформации в результате множественного скольжения. Дислокации зарождаются при концентрации напряжений в отдельных участках кристаллов, например, около включений, границ зёрен и двойников.

Поверхностные дефекты. Практически в металлах и сплавах обычно существуют различные поверхности раздела, границы зёрен, субзёрен, по обе стороны от которых кристаллические решётки отличаются пространственной ориентацией. Такие поверхности представляют собой двумерные дефекты, либо плоские, либо с малым атомным размером в третьем измерении. Обычно металлы имеют поликристаллическое строение. Границы между различно ориентированными кристаллами представляют собой зоны с искажённой кристаллической решёткой и относятся к поверхностным дефектам. Кристаллы поликристаллического металла имеют неправильную форму, поэтому их называют кристаллитами или зёрнами.

Каждое зерно реального металла состоит из блоков (субзёрен), ориентированных по отношению друг к другу под малыми углами, не превышающими нескольких минут. Границы между блоками или субграницы также являются поверхностными дефектами.

Рисунок 7 — Схема границы наклона зёрен с малым углом разориен-тировки, содержащей стенку дислокации

Строение границ между зёрнами и блоками зависит от угла разориентировки, а также от положения оси, относительно которой разориентированы блоки или зерна. Простейшей границей является граница наклона, когда ось разориентировки лежит в плоскости границы. На рисунке 6 приведена схема границы наклона с малым углом разориентировки. Из рисунка видно, что граница образована стенкой краевых дислокаций одного знака. Границы зёрен, разориентировка которых составляет более десятка градусов, имеют очень сложное строение и изучены мало.

В реальном металле встречаются границы, в которых все атомы границы принадлежат решёткам обоих кристаллов, обеспечивая их идеальное сопряжение. Такие границы называют когерентными. В большинстве случаев границы между зёрнами являются некогерентными, так как все или часть атомов, образующих границу, не являются общими для решёток соседних зёрен.

Объёмные дефекты — это поры, трещины, усадочные дефекты и т.п. Образуются они при кристаллизации, фазовых превращениях, деформации и других процессах.

Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 278; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!