Дефекты кристаллического строения и их влияние на свойства материала
В реальном строении технических материалов имеется целый ряд дефектов, которые значительно влияют на многие их свойства. Идеальное кристаллическое строение без каких-либо дефектов расположения атомов в пространстве у реальных материалов практически не встречается. Эти дефекты кристаллического строения можно разделить на 3 группы в зависимости от геометрических размеров и расположения: 1) точечные; 2) линейные; 3) поверхностные. 1 ) Точечные дефекты кристаллического строения. К ним относятся: а) несовершенства, называемые вакансиями (рисунок 1,a). Это отсутствие атомов в отдельных узлах кристаллической решетки. В идеальной решетке данные узлы были заняты атомами (ионами) материала. Ближайшие к вакантному месту решетки атомы смещаются в сторону свободного узла за счет нарушения равновесия межатомных сил притяжения и отталкивания. В результате около вакансии наблюдается локальное искажение кристаллической решетки. Величина смещения атомов к центру вакансии зависит от типа кристаллической решетки. Следующие за первым 1-2 атомных ряда также несколько смещаются в направлении к вакансии, но величина этих перемещений уже меньше.
a b Рисунок 1 – Точечные дефекты в кристаллической решетке: a – вакансия; b – атом в междуузлии (межузельный атом)
Присутствуя в металле, вакансии участвуют в реализации диффузионных процессов, поскольку один из механизмов диффузии в металлах - перемещение атомов по вакансиям. Следовательно, чем больше в материале вакансий, тем легче осуществляются диффузионные процессы. В свою очередь, диффузия лежит в основе многих процессов структурообразования в металлах и сплавах, формирующих их свойства. Таким образом, наличие в материале вакансий играет существенную роль. б) Несовершенства кристаллической решетки, обусловленные наличием некоторых атомов между узлами решетки (рисунок 1,b). Такой дефект называют межузельным атомом. Вокруг атома в междуузлии за счет появления с его стороны сил отталкивания возникают локальные искажения кристаллической решетки. Величина таких искажений значительно больше, чем в случае образования вакансии. Смещение соседних атомов при подобном дефекте может достигать нескольких процентов от межатомного расстояния (до 20%). Наличие в металлах междуузельных атомов вызывает некоторое упрочнение, повышение электросопротивления и влияет на некоторые другие свойства. Количество точечных дефектов очень сильно возрастает с увеличением температуры и описывается зависимостью: n» N e - u / K T, (1) где n - число точечных дефектов (вакансий или междуузельных атомов), N - число узлов решетки, среди которых подсчитывается количество дефектов, u - энергия, затраченная на образование одного точечного дефекта, K - постоянная Больцмана, T - температура, K. Следует иметь в виду, что энергия образования междуузельного атома в металле всегда больше, чем вакансии, и поэтому количество междуузельных атомов значительно меньше, чем вакансий (поскольку энергия на образование точечного дефекта входит в показатель степени выражения (1)). Количество точечных дефектов зависит не только от температуры и энергии их образования, но и от различных воздействий на материал. Так, например, при облучении металла нейтронами или протонами при его пластической деформации количество этих дефектов кристаллического строения возрастает. 2) Линейные дефекты кристаллического строения. Основным дефектом этого типа являются дислокации. Дислокация - это дефект, представляющий собой лишнюю атомную полуплоскость, как бы вставленную в какой-то части кристалла. Эту полуплоскость называют экстраплоскостью. В зависимости от геометрической направленности экстраплоскости в кристалле различают краевую дислокацию (рисунок 2,а) и винтовую дислокацию (рисунок 2,b). На рисунке 2,б показана только экстраплоскость винтовой дислокации.
Рисунок 2 – Краевая и винтовая дислокации
В районе края экстраплоскости всегда большие искажения кристаллической решетки. Для оценки искаженности кристаллической решетки из-за наличия дислокации в кристалле, для характеристики плоскости расположения в нём дислокации и её энергии, используется параметр, называемый вектором Бюргерса. Для краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен плоскости сдвига в кристалле, наблюдаемом при наличии дислокации. Представить себе этот параметр можно следующим образом. Если в кристалле с дислокацией сделать обход по некоторому контуру вокруг этого дефекта (контур ABCDA на рисунке 3,а), а затем нанести такой же контур в идеальном кристалле, без дислокации (рисунок 3,б), то отрезок, необходимый для того чтобы замкнуть контур в идеальном кристалле, и будет являться вектором Бюргерса.
Рисунок 3 – Определение вектора Бюргерса
На рисунке 4 стрелками показано направление обхода, начиная от точки “А”. Отрезок DА на рисунке 3,а равен отрезку DЕ на рисунке 3,б. Соответственно, отрезок ЕА, показывающий степень не замкнутости контура на рис. 3.12б, и является вектором Бюргерса, который обозначается Величина вектора Бюргерса зависит от типа кристаллической решетки и от того, в какой плоскости лежит дислокация. Например, в простой кубической решетке с параметром “а”, если краевая дислокация лежит в плоскости одной из граней куба, величина вектора Бюргерса Если же дислокация лежит в другой плоскости, то величина вектора Бюргерса Количественной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций, обозначаемая буквой r. Это суммарная длина дислокаций в 1 см3 металла (расположенных в разных кристаллографических плоскостях). Плотность дислокаций r имеет размерность см/см3 или см-2. Для реальных технических металлов r = 106 - 108 см-2.
Рисунок 4 – Векторы Бюргерса
Количество дислокаций в металле возрастает при пластической деформации, и в сильно деформированном металле плотность дислокаций может достигать значений 1012 см-2. Наличие дислокаций в металле, их количество, подвижность в значительной степени определяют сопротивление металла деформации, прочность, пластические свойства.
Рисунок 5 – Механизм деформации в идеальном кристалле (штриховой линией показана плоскость сдвига)
Плотность дислокаций влияет на прочность металла следующим образом: в идеальном металле, где нет дислокаций, наблюдается максимальная прочность (точка 1 на рисунке 6), т. к. для пластической деформации и разрушения нужно преодолеть все силы межатомной связи в плоскости сдвига (рисунок 5).
Рисунок 6 – Влияние плотности дислокаций на прочность металла
С появлением в металле дислокаций и увеличением их количества прочность сильно падает (до точки 3 на рисунке 6 для реального технического металла). Затем, при дальнейшем возрастании числа дислокаций (больше r = 106 - 107 см-2), прочность увеличивается. Из графика на рисунке 5 следуют 2 направления для повышения прочности металла - одной из основных характеристик механических свойств. Первое: создать материал с идеальной кристаллической решеткой или близкой к этому. Реализация этого направления представляет большие трудности. Искусственным путем получают кристаллы различных металлов (по специальной технологии), которые имеют прочность близкую к теоретической. Теоретической же прочностью считают прочность материала с идеальной кристаллической решеткой, без дефектов (точка 1 на рисунке 6). Величина таких кристаллов небольшая, толщина порядка 2 мкм и длина около 10 мм. Прочность таких искусственно получаемых кристаллов показана на рисунке 6 точкой 2. Второе направление – это создание в структуре материала очень большого числа дислокаций. При этом происходит упрочнение, показанное на правой части графика на рисунке 6, например, точка 4. Такое упрочнение может быть получено пластическим деформированием, термической обработкой и другими методами, что широко используется в практике работы с реальным металлом. 3) Поверхностные дефекты кристаллического строения. Реальный промышленный металл - это поликристаллическое твердое тело. При некотором увеличении под микроскопом можно увидеть, что он состоит из множества кристалликов, зерен (рисунок 7). Размер этих зерен может быть различным и составляет от нескольких микрон до нескольких десятков и сотен микрон.
Рисунок 7 – Поликристаллическое строение металла
Соседние зерна ориентированы друг относительно друга под углом в несколько десятков градусов (иногда говорят, что зерна разделяет большеугловая граница). Граничная область между зернами обычно бывает шириной от 2 до 10 межатомных расстояний. На рисунке 8 показано кристаллическое строение двух соседних зерен, расположенных под углом q, и строение границы между ними.
Рисунок 8 – Строение границы между зернами (линиями показаны атомно-кристаллические плоскости)
Как видно из рисунка 8, на границе между зернами имеется большое число дислокаций, микроучастки с искажениями кристаллической решетки. Кроме того, обычно на границах зерен находится значительное количество атомов примесей, имеющихся в металле. Таким образом, зернограничная поверхность небольшой толщины насыщена дефектами кристаллического строения, искажениями решетки, атомами примесей. Такая область и считается поверхностным дефектом кристаллического строения. Зерно, в свою очередь, состоит из более мелких образований, называемых фрагментами и блоками. Фрагменты расположены под углом в несколько градусов друг к другу, а блоки, самые маленькие структурные образования с размером от 0,1 до 10,0 микрон, расположены под углом в несколько минут. Границу между фрагментами, блоками обычно называют малоугловой. Такие граничные области тоже содержат повышенное количество дефектов типа дислокаций, искажений решетки и др. Поэтому границы между фрагментами, блоками также относят к поверхностным дефектам кристаллического строения.
Вопросы:
1) Типы кристаллических решёток. 2) На какие группы делятся дефекты кристаллического строения? 3) Что такое точечные дефекты? 4) Что такое «атом в междоузлии»? Что такое вакансия? 5) Какие точечные дефекты встречаются чаще? Какие точечные дефекты вызывают наибольшие искажения? 6) Как влияет температура и пластическая деформация на количество точечных дефектов? 7) Что такое линейные дефекты? 8) Вектор Бюргерса. Как обозначается? Чему может быть равен? Показать вектор Бюргерса на рисунке. 9) Что такое плотность дислокаций? Как обозначается? Ед. измерения. Чему равна для технических металлов? 10) График зависимости прочности металла от плотности: изобразить; показать, как изменяется прочность металла с увеличением плотности дефектов. 11) Какими способами добиваются повышения прочности металла? 12) Что такое поверхностные дефекты кристаллического строения?
|
, т.е. ЕА= 
