Анизотропия свойств кристаллов.

 

Плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Так в решетке ОЦК плоскости (1,0,0) принадлежит 1 атом, а плоскости (1,1,0) – вертикальная диагональная плоскость куба, 2 атома.

Вследствие неодинаковой плотности расположения атомов в различных плоскостях и направлениях решетки многие свойства (химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления решетки. Неодинаковость свойств монокристаллов в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией. Свойства аморфных тел, характеризующихся хаотическим расположением атомов, не зависят от направления т.е. анизотропия является результатом закономерного расположения атомов в кристаллических телах. Разница в физико- химических и механических свойствах может быть весьма существенна. Температурный коэффициент линейного расширения в двух взаимно перпендикулярных направлениях может отличаться в 3-4 раза. Так медный шар, изготовленный из монокристалла, при нагреве утратит правильную геометрическую форму и превратится в эллипсоид. Не всем свойствам кристаллических тел характерно явление анизотропии. Такое свойство как теплоёмкость от направления не зависит.

Технические металлы являются поликристаллами, состоящих из большого количества анизотропных кристаллов, статистически неупорядоченно ориентированных друг к другу. Поэтому во всех направлениях свойства ~ одинаковы, т.е. поликристаллические металлы изотропны. Но так как их изотропность является не истинной, а усредненной, то их принято называть квазиизотропными телами. Изотропность не будет наблюдаться, если кристаллы имеют одинаковую преимущественную ориентировку в каких то направлениях. В этом случае поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств.

 

1.4. Дефекты строения кристаллических тел.

 

Реальные металлы содержат большое количество дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материала.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты (рис. 1.3) имеют малые размеры во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки - вакансии); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки, - дислоцированные атомы; в) атомы других элементов, находя­щиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решет­ки, - примесные атомы.

Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов - дислокации  Теория дислокаций была впервые применена в середине три­дцатых годов XX века физиками Орованом, Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристалличе­ских тел. Ее использование позволило объяснить природу прочности и пластичности металлов, а также огромную разницу между теоретической и прак­тической прочностью металлов. Экспериментально дислокации были обнаружены лишь с помощью электронного микроскопа благодаря сопутствующим деформациям или искажениям кристаллической решетки. При прохождении пучка электронов через такие искажения происходит дифракция электронов, подобная дифракции рентгеновских лучей.

 Наиболее простой способ образования дислокаций в кристалле сдвиг. Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относителтьно нижней на одно межатомное расстоянии, при том, что сдвиг охватил не всю плоскость скольжения, а только ее часть АВСD,то граница АВ между участком АВСD и не нарушенном участком в плоскости скольжения, и будет краевая дислокация (рис.1.4а).Если «лишняя» атомной полуплоскость - экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обознача­ют знаком "+", если в нижней - то отрицательной и обозначают знаком "-". Нижний край экстраплоскости  называют линией дислокации. Различие между дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную. Знак дислокации позволяет оценить результат их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположно­го - притягиваются. Из приведенных далее схем видно, что атомы над краевой дислокацией испытывают сжатие, а нижние атомы - растяже­ние. Дислокации выявляются также с по­мощью травления химическими реактивами. В местах выхода дислокаций на полированную по­верхность металла скорость химического травления выше.

Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис.1.5). Винтовые дислокации могут быть получены путем частичного сдвига атомных слоев по плоскости Q, при этом нарушается параллельность атомных слоев. Кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии EF. Линия EF является линией дислокации. Она отделяет ту часть, где сдвиг еще не происходил. Винтовая дислокация, образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки - левой. Вокруг дислокации на протяжении нескольких межатомных расстояний решетка искажена, что вызывает появление поля напряжений. Критерием энергии искажения кристаллической решетки служит вектор Бюргерса.

Для определения вектора Бюргерса краевой дислокации (рис.1.6) вокруг неё проводится контур АВСDE, равномерно откладывая против часовой стрелки от точки А по шесть атомных расстояний: снизу вверх АВ, ВС, СD, DE. Контур замкнется на участке DA, который будет состоять из пяти отрезков. При отсутствии дислокаций в кристалле этот участок состоял из шести отрезков. Разность протяженности контуров АЕ называется вектором Бюргерса, который имеет величину порядка межатомных расстояний. Если вектором Бюргерса охватывает несколько дислокаций, то величина его соответствует геометрической сумме векторов отдельных дислокаций. Вектор Бюргерса позволяет найти силы, требуемые для перемещения дислокации, силы взаимодействия и энергию дислокаций.

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

Плотность дислокаций может быть определена эксперимен­тально при больших увеличениях подсчетом числа выходов дис­локаций на единицу площади предварительно протравленного металлографического шлифа, а также при изучении структуры тонких пленок на просвет в электронном микроскопе.

Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплоскости. Такие атомы снижают уровень упругих искажений дислокационной структуры. Цепочки инородных атомов образуют так называемые атмосферы Коттрелла, или облака Коттрелла. С повышением температуры облака Коттрелла рассеиваются. При понижении температуры до температуры, соответствующей пределу растворимости, они могут образовывать дисперсные выделе­ния второй фазы.

Теоретическая и фактическая прочность.

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 - 250 МПа. Такое расхождение теоретической и фактической прочности объясняется тем, что деформация происходит не путем одновремен­ного смещения целых атомных плоскостей, а за счет постепенного перемещения дислокаций. Влияние дислокаций на процесс пла­стической деформации на примере краевых дислокаций показано на рис. 1.7. 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 на одно межатомное расстояние. В результате перемеще­ния дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает. На поверхности остается ступенька скольжения.

Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендику­лярном экстраплоскости. Чем легче перемещаются 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.

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 (рис 1.8). Левая ветвь кривой соответствует созданию совер­шенных без дислокационных 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, генерирующих дислока­ции в металле (источники Франка - Рида) и их плотность увеличивается. Помимо параллель­ных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемещаться, происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д.. 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 рис.1.8                           

Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристал­лического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и леги­рующих элементов, частицы выделений второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике препятствие движению дис­локаций, т. е. упрочнение, создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свобод­ному перемещению дислокаций. При низких температурах проч­ность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.

Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с более близким к идеальному строением кристаллической решет­ки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристалличе­ского строения или же их число крайне мало; 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значитель­ные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух разориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую пространст­венную ориентировку решеток. Блоки повернуты друг по отноше­нию к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут, их размер ~10-⁵ см. Фрагменты имеют угол разориентировки не более 5°. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен меньше 5°, то такие границы называются малоугловыми границами (рис.1.9)

Все границы фрагментов и блоков малоугловые. Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в кристаллическую решетку другого, в этой зоне наблюдается повышенное скопление дислокаций и концентрация примесей. Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не совпадают. Скольжение первоначально развивается в наиболее бла­гоприятно ориентированных зернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются. На­пряжения от скопления дислокаций у границ одних зерен упруго распространяются через грани­цы в соседние зерна, приводя в них в действие источники образо­вания новых дислокаций (ис­точники Франка - Рида). Про­исходит передача деформации от одних зерен к другим. Границы зерен препятствуют перемеще­нию дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, оказывая существенное влияние на механические свойства металла. Под размером зерна принято понимать величину его среднего диаметра, выявляемого в поперечном сечении. Это определение условно, так как действительная форма зерна в металлах меняет­ся в широких пределах - от нескольких микрометров до милли­метров. Средний размер зерна оценивается по специ­альной стандартизованной 10 балльной шкале и характеризуется числом зе­рен, приходящихся на 1 мм² поверхности шлифа, при увеличении в 100 раз.

Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. При измельчении зерна увеличиваются предел текучести, прочность  и одновременно пластичность и вязкость металла. Последнее особенно важно для металлических изделий, работающих при низких температурах. Повышенная пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением мелко­зернистого металла, отсутствием в нем крупных скоплений, структурных несовершенств, способствующих образованию тре­щин. Помимо перечисленных дефектов в металле имеются мак­родефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неме­таллические включения, микротрещины, снижающие прочность металла.