Лекция 2 - 3. Дефекты кристаллического строения

В реальных металлах, применяемых в технике, кристаллические решетки имеют ряд несовершенств или дефектов, т. е. отклонения от правильного геометрического строения. Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения определённым образом сказываются на свойствах металлов. Эти дефекты по геометрическим признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные. К точечным дефектам относят вакансии и дислоцированные (межузельные) атомы.

Известно, что атомы находятся в колебательном движении около узлов решетки. Большинство атомов металла в данной решетке обладает одинаковой энергией (средней), однако отдельные атомы имеют энергию, превосходящую среднюю и могут перемещаться из одного места в другое. Такие атомы, особенно расположенные ближе к поверхности, выходят на эту поверхность, а их место могут занять атомы, находящиеся дальше от поверхности.

Освободившееся место, где находился переместившийся атом, называется вакансией (рис. 1.4, а) или дефектом Шотки. Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучении и других видах обработки. Вакансии играют важную роль в диффузионных процессах, происходящих в металлах и сплавах при повышенных температурах. Перемещение атомов какого-либо элемента в металле называется диффузией. Явление перемещения атомов элемента в его собственной решетке называется самодиффузией.

Включение в кристаллическую решетку атома другого элемента также изменяет ее совершенное строение (см. рис. 1.4, б).

Вышедший из положения равновесия атом называют дислоцированным (межузелным, рис. 1.4, в) или дефектом Френкеля. Вакансии и дислоци-рованные атомы представляют собой точечные дефекты кристаллической решетки и являются причиной ее искажения. Дислоцированный атом и вакансии не остаются неподвижными, они перемещаются по решетке.

Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки

Рис. 1.4. Искажение кристаллической решетки около: а - вакансии; б - внедренного атома; в – дислоциро-ванного атома

Линейные дефекты называются дислокациями. Различают два вида дислокаций—краевые и винтовые. Краевая дислокация (рис. 1.5) представляет собой местное искажение кристаллической решетки; винтовая дислокация (рис.1.6) образуется при неполном сдвиге кристалла по плоскости. Дислокации образуются в процессе кристаллизации, при термической и химико-термической обработках, пластической деформации и других видах воздействий на структуру сплавов.

Рис. 1.5. Краевая дислокация	Рис. 1.6. Винтовая дислокация

На свойства металлов влияет не только плотность дислокаций, но и их расположение в объеме. Поверхностные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными кристаллитами или их блоками. На границах зерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.

Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-кристаллического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов.

Наличие несовершенств (дефектов) в атомно-кристаллических решетках реальных металлов объясняет некоторые особенности их механических и физических свойств и, в частности, то обстоятельство, что реальные металлы имеют прочность, во много раз меньшую, чем они должны иметь теоретически.

Основным фактором, определяющим уровень механических свойств металлов, является количество и характер распределения дефектов кристал-лического строения. Когда их сравнительно много, появляется упрочняющее действие (рис. 1.7).

Рис.1.7. Зависимость прочности от количества дефектов кристаллического строения

Предел прочности современных конструкционных сталей, достигнутый легированием и термической обработкой, составляет 1766…2158 МПа (180…220 кгс/мм²), а нитевидных кристаллов (практически без дефектов) чистого железа равен 13106 МПа (1336 кгс/мм²).

Контрольные вопросы

1. В чём заключается дефектность кристаллической решётки?

2. Какие бывают дефекты решётки по геометрическим прзнакам?

3. В чём различие между диффузиея и самодиффузией?

4. За счёт чего возможна диффузия в металле?

5. Как влияют дефекты на механические свойства?