Дефекты кристаллических решеток

4. Дефекты строения  кристаллов

Современные методы исследования строения кристалла позволили  установить, что в строении реального  кристалла металла имеются дефекты. Дефекты или несовершенства внутреннего  кристаллического строения реальных металлов принято делить на точечные, линейные и поверхностные. Точечные дефекты малы во всех измерениях. Линейные дефекты охватывают в длину многие ряды атомов, однако их протяженность в двух других направлениях, поперек линии распространения дефектов, очень мала. Поверхностные дефекты малы лишь в одном измерении.

Точечные дефекты  бывают нескольких типов. Ионы, расположенные  в узлах кристаллической решетки, совершают тепловые колебательные  движения около положения равновесия. Среднее по всему кристаллу отклонение от положения равновесия определяется температурой. Всегда имеются ионы, которые отклонились в данный момент от положения равновесия больше, чем другие. Отдельные ионы могут  отклоняться настолько, что уже  не возвращаются обратно. Пустой, не занятый  атомом узел кристаллической решетки  называется вакансией (рис. 8, а).

Сместившийся  из узла ион некоторое время не находит свободного узла в кристаллической  решетке и оказывается между  другими ионами. Такой дефект строения называется смещением (рис. 8, б). При повышении температуры количество вакансий и смещений увеличивается. Вакансии играют важную роль в разрушении металлов при высоких температурах.

В металле, даже химически чистом, содержатся примеси  инородных атомов. Каждый атом примеси  имеет размеры и свойства, отличающиеся от размеров и свойств основного  металла. Поэтому инородные атомы  вызывают искажения кристаллической  решетки. Протяженность искажений  во всех направлениях мала — порядка  одного-двух параметров решетки. Инородные  атомы, так же как вакансии и смещения, относятся к точечным дефектам. При  рассмотрении строения чистого металла  на первый взгляд кажется, что говорить о примесях вряд ли имеет смысл. Ведь содержание инородных атомов по отношению к общему их количеству в металле мало. Например, в химически чистом алюминии содержится 99,999% алюминия и только 0,001% примесей. Но если посчитать количество инородных атомов в 1 см3 такого металла, то получится внушительная цифра 3— 6-1017 атомов.

Линейные дефекты  строения кристаллической решетки  называются дислокациями. Они бывают нескольких типов: краевые, винтовые, смешанного типа, частичные и т. д. Наиболее простой  тип — краевая дислокация показана схематически. Верхняя часть кристалла  содержит атомную плоскость АВ, которая  не имеет продолжения ниже точки В, т. е. эта плоскость как бы лишняя. Она называется экстраплоскостью.

Винтовая дислокация — результат смещения одной части  кристалла относительно другой в  плоскости Q. Ядро винтовой дислокации линия CD. Она параллельна напряжениям  сдвига, образовавшим дислокацию. У  краевой дислокации напряжения сдвига, образовавшие ее, были перпендикулярны  экстраплоскости. Дислокация, изображенная на рис. 9, б, называется винтовой потому, что, перемещаясь по стрелке, можно обойти все атомные плоскости кристалла по винтовой линии. Дислокации образуются в металле при его кристаллизации, при закалке, пластической деформации и т. д.

Создание теории дислокаций позволило объяснить  многие явления, происходящие в металлах. Например, теоретическая прочность  железа равна примерно 14 Гн/м2 (1400 кГ/мм2). Однако реальная прочность чистого железа достигает всего 0,20— 0,22 Гн/м2 (20—22 кГ/мм2), т. е. в 70 раз меньше. Это расхождение удалось объяснить только на основании теории дислокаций. В лабораторных условиях получают монокристаллы железа почти свободные от дислокаций и имеющие прочность при растяжении около 13 Гн/м2 (1300 кГ/мм2). Если бы удалось в промышленном масштабе получать железо с такой высокой прочностью при% растяжении, то экономия при расходе металла оказалась бы колоссальной.Для сравнения отметим, что очень распространенная сталь 20 имеет предел прочности 0,44—0,54 Гн/м2 (44— 54 кГ/мм2), а более прочная сталь ЭИ723 — 1,1 Гн/м2 (110 кГ/мм2).

Зависимость прочности  металла от числа несовершенств строения кристаллической решетки имеет сложный характер. Сталь упрочняют совместно термической обработкой и пластической деформацией, при этом число несовершенств увеличивается. На практике пока используют только правую ветвь кривой, приведенной на рис. 10 (обработка типа термомеханической — ТМО и механико-термической — МТО).

Как известно, металл состоит из большого числа кристаллов неправильной формы — зерен. Границы  между зернами в чистом металле  являются местами скопления дефектов. При переходе от одного зерна металла  к другому меняется ориентация кристаллической  решетки. По границе между зернами  имеется слой атомов, принадлежащих  частично кристаллической решетке  одного зерна, частично другого. Причем чем больше разница в разориен-тировке соседних зерен, тем больше несовершенств на границе между ними. Толщина пограничного слоя в чистых металлах составляет несколько параметров кристаллической решетки. Атомы примесей в чистых металлах стремятся расположиться преимущественно по границам зерен, где кристаллическая решетка уже имеет несовершенства строения и где появление инородного атома вызывает меньшие дополнительные искажения.

В пределах каждого  зерна металла отдельные области  его — субзерна — повернуты друг относительно друга на угол от нескольких минут до нескольких градусов. При переходе от одного субзерна к другому каждая плоскость, по которой располагаются узлы кристаллической решетки, претерпевает перелом. Таким образом, у соседних субзерен кристаллические решетки упруго сопряжены. При переходе же от одного зерна к другому наблюдается полная независимость расположения атомных плоскостей. Границы субзерен так же, как и границы зерен, являются местом скопления линейных и точечных дефектов кристаллических решеток. Границы представляют собой поверхностные дефекты.

1.6. Дефекты кристаллической решетки металла

 Кристаллическая  решетка, в которой отсутствуют  нарушения сплошности и все узлы заполнены однородными атомами называется идеальной кристаллической решеткой металла.   

 В решетке  реального металла могут находиться  различные дефекты.   

 Все дефекты  кристаллической решетки принято  делить на точечные, линейные, поверхностные и объемные.   

  Точечные дефекты соизмеримы с размерами атомов. К ним относятся вакансии, т. е. незаполненные узлы решетки, межузельные атомы данного металла (рис 1.8), примесные атомы замещения, т. е. атомы, по диаметру соизмеримые с атомами данного металла и примесные атомы внедрения, имеющие очень малые размеры и поэтому находящиеся в междоузлиях (рис 1.9). Влияние этих дефектов на прочность металла может быть различным в зависимости от их количества в единице объема и характера.

Точечные дефекты  характеризуются малыми размерами  во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки — вакансии (дефекты Шоттки); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки — дислоцированные атомы (дефекты Френкеля); в) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки — примесные атомы.

Точечные дефекты  образуются в процессе кристаллизации под воздействием тепловых, механических, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.

Вакансии и  дислоцированные атомы могут  появляться вследствие тепловых движений атомов. В характерных для металлов решетках энергия образования дислоцированных  атомов значительно больше энергии  образования тепловых вакансий. Поэтому  основными точечными дефектами  в металлах являются тепловые вакансии. При комнатной температуре концентрация вакансий сравнительно невелика и составляет около 1 на 1018 атомов, но резко повышается при нагреве, особенно вблизи температуры плавления. Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии.

Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии — перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для данного металла. Перемещение атомов осуществляется путем обмена местами с вакансиями. Различают самодиффузию и гетеродиффузию. В первом случае перемещения атомов не изменяют их концентрацию в отдельных объемах, во втором — сопровождаются изменением концентрации. Гетеродиффузия характерна для сплавов с повышенным содержанием примесей.

Точечные дефекты  приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление  решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление.

Вакансии, дислоцированные  атомы и другие точечные дефекты  обнаружены при исследовании металлов с помощью автоионного микроскопа, дающего увеличение свыше 106 раз. 

Линейные  дефекты имеют длину, значительно превышающую их поперечные размеры. К ним относятся дислокации, т. е. дефекты, образующиеся в решетке в результате смещений кристаллографических плоскостей

 Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций обычно понимают суммарную длину дислокаций S l, приходящуюся на единицу объема V кристалла: r = S l V. Таким образом, размерность плотности дислокаций r: см/см3, или см–2. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 106–103 см–2, после холодной деформации она увеличивается до 1011–1012 см–2, что соответствует примерно 1 млн километров дислокаций в 1 см3.

Использование теории дислокаций позволило объяснить  большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла.

Расчетное усилие для смещения одной части кристалла  относительно другой оказалось на 2–3 порядка выше фактически затрачиваемого при пластической деформации металла. Так, теоретическая прочность железа составляет около 13 000 МПа, а фактическая  — всего 250 МПа.

Такое расхождение  теоретической и фактической  прочности объясняется тем, что деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомных плоскостей, а путем постепенного перемещения дислокаций. Пластический сдвиг является следствием постепенного перемещения дислокаций в плоскости сдвига. Распространение скольжения по плоскости скольжения происходит последовательно. Каждый элементарный акт перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной вертикальной атомной плоскости. Для перемещения дислокаций требуется значительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной части кристалла относительно другой в плоскости сдвига. При движении дислокации вдоль направления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней его частей лишь на одно межатомное расстояние. В результате перемещения дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает. На поверхности остается ступенька скольжения.

В лекции о роли дислокаций Орован в качестве аналогии движения дислокаций приводил примеры перемещения таких представителей животного мира, как дождевой червь или змея. Они скользят по поверхности земли, последовательно перемещая участки своего тела. При этом участки, через которые прошла волна возмущения, восстанавливают исходную форму. В случае пластического сдвига позади переместившейся дислокации атомная структура верхних и нижних слоев восстанавливает свою исходную конфигурацию.

Другой аналогией  движения дислокаций является перемещение  складки на ковре. Последовательное перемещение складки потребует  значительно меньше усилий, чем перемещение  всего ковра по поверхности пола, хотя в обоих случаях будет достигнут один и тот же результат — ковер переместится на одинаковое расстояние.

Дислокации легко  перемещаются в направлении, перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже прочность металла, тем легче идет пластическая деформация.  
Пластическая деформация кристаллических тел связана с количеством дислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимодействия с дефектами решетки и т. д. Характер связи между атомами влияет на пластичность кристаллов. Так, в неметаллах с их жесткими направленными связями дислокации очень узкие, они требуют больших напряжений для старта — в 103 раз больших, чем для металлов. В результате хрупкое разрушение в неметаллах наступает раньше, чем сдвиг.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов является наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов.

Левая ветвь  кривой соответствует созданию совершенных  бездислокационных нитевидных кристаллов (так называемых «усов»), прочность которых близка к теоретической.

При ограниченной плотности дислокаций и других искажений  кристаллической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций находится в объеме металла.

С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают  дислокации в разных плоскостях и  направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемешаться, происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д., что позволило Дж. Гордону образно назвать их взаимодействие в процессе пластической деформации «интимной жизнью дислокаций». С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой.