е) Дефекты кристаллического строения
Канал "Металлург" приветствует всех гостей и подписчиков! Мы продолжаем своё вещание. Сегодня мы разберём ещё одну тему - ''Дефекты кристаллического строения" из раздела I "Особенности кристаллического строения металлов"
В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.
Различают следующие структурные несовершенства:
•точечные – малые во всех трех измерениях;
•линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;
•поверхностные – малые в одном измерении.
Начнем с точечных дефектов.
Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей (рисунок 1).
Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин.
Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т.д.), в
результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или
частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий определяется температурой тела.
Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии.
У читателей канала может возникнуть вполне уместный вопрос: "Что такое дивакансия, и с чем её едят?"
Дивакансия - это комплекс точечных дефектов структуры кристалла, состоящий из двух вакансий, расположенных в соседних узлах решётки. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.
Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и
занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов
значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома
образуется вакансия.
Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры
больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах
решетки или междоузлиях.
Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что
может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные
свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию
фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.
Рассмотрим ещё один вид дефектов из классификации - линейные дефекты.
Линейными дефектами являются дислокации.
Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла.
Дислокация - это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.
Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.
Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри
кристалла край ―лишней― полуплоскости (рисунок 2)
Большинство дислокаций образуется путём сдвигового механизма.
Неполная плоскость называется экстраплоскостью. 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), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки).
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная, если в нижней, то – отрицательная.
Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.
Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация.
Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рисунок 3).
На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.
Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.
Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.
В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.
Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.
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 тщательного отжига плотность дислокаций составляет 105…107 м-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 1015…10 16м –2.
Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций .
Если плотность меньше значения
а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 1015…10 16м –2. В противном случае образуются трещины.
Также с увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость.
Последний вид дефектов, который мы сегодня рассмотрим - поверхностные дефекты.
Поверхностные дефекты разделяют на двумерные и трёхмерные (объёмные) дефекты.
Двумерные дефекты - это нарушения кристаллического строения, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в несколько межатомных расстояний в третьем измерении.
К поверхностным дефектам относят границы зерен, фрагментов, блоков (рисунок 4).
К поверхностным дефектам относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен.
Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов.
Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.
Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций.
На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов.
Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.
В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса.
Такую структуру называют блочной или мозаичной.
Объемные (трехмерные) дефекты - нарушения, которые в трех измерениях имеют неограниченные размеры. К таким нарушениям относят трещины, поры, усадочные раковины.
Мы с вами рассмотрели подраздел "Дефекты металлического строения".
Всем спасибо за внимание!
❗Больше информации о материаловедении и металлургии только на канале "Металлург"❗