Дефекты кристаллического строения металлов.

Выявляемая в процессе эксплуатации или во время специальных испытаний прочность металлов, называемая фактической или технической, на 2-3 порядка ниже их теоретической прочности. Теоретической прочностью обладает совершенно бездефектный металл, имеющий идеально построенную, однородную во всех её частях кристаллическую решетку.

В реальном материале при кристаллизации не все атомы идеально попадают на места, предназначенные для них в кристаллической решетке. Это приводит к появлению дефектов в строении кристаллической решетки. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные).

Точечные дефекты (нульмерные): вакансии или «дырки», т.е. узлы решетки, в которых атомы отсутствуют; межузельные атомы; примеси замещения и примеси внедрения (рис.1.4). Размеры таких дефектов не превышают нескольких атомных диаметров во всех трех измерениях

 

Рис.1.4. Точечные дефекты в кристаллической решетке

1 – примесный атом замещения с большим атомным радиусом;

2 – вакансия (дефект Шоттки);

3 – примесный атом внедрения;

4 – дивакансия;

5 – вакансия и межузельный атом;

6 – примесный атом замещения с меньшим атомным радиусом

Вакансии чаще образуются в результате перехода атомов из узлов решетки на поверхность границы зерна, пустоты, трещины и реже в результате перехода в межузлие с образованием межузельных атомов.

С повышением температуры концентрация вакансий возрастает. Быстрым охлаждением до нормальной температуры можно зафиксировать эти вакансии. В кристалле образуются не только одиночные вакансии, но и двойные, тройные и более крупные. Вакансии образуются и в процессе пластической деф-ции.

Наличие примесей в металле приводит к появлению атомов внедрения и замещения, что вызывает несовершенства кристаллической решетки.

Все точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки. Смещения вокруг них возникают только в ближайших слоях соседних атомов и составляют доли межатомного расстояния. Точечные дефекты оказывают влияние на физические свойства металла и предопределяют процессы диффузии в металлах и сплавах.

Линейные дефекты (одномерные) – имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении (дислокации)

Рис.1.5 Схема краевой дислокации в кристаллической решетке.

Краевая ди слокация (рис 1.5) представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или электроплоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа. Дислокацию обозначают знаком ┴ (в верхней части зерна – положительная) или ┬ (в нижней части зерна – отрицательная).

 

Винтовая дислокация – одна из разновидностей линейных дефектов.

Винтовые дислокации в отличие от краевых располагаются параллельно направлению сдвига. При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности (рис. 1.6).

 

Рис. 1.6 Винтовая дислокация

 

Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов из группы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений.

 

Рис. 1.7 Схема взаимодействия дислокаций, лежащих в одной плоскости скольжения.

Силовые поля дислокаций взаимодействуют между собой. Если дислокации, расположенные в одной плоскости скольжения, обладают одинаковым знаком, то они отталкиваются (рис. 1.7,а), если дислокации разного знака, то они взаимно притягиваются (рис.1.7,б). Сближение дислокаций разного знака приводит к их взаимному уничтожению.

Важной характеристикой дислокаций является плотность. Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокации l (см), приходящуюся на единицу объема V кристалла (см³). Таким образом, размерность плотности дислокаций (см^-2)

Поверхностные (двухмерные) дефекты – это такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в 2-х измерениях, а в 3-м – лишь в несколько межатомных расстояний.

К ним относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхности кристалла.

Дефекты упаковки – локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле.

Одним из видов дефектов являются так называемые двойники. Двойникованием, т.е. образованием двойников, называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки. Решетка внутри двойниковой плоскости является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла. Обычно деформация двойникованием протекает в тех случаях, когда деформация скольжением, т.е. путем движения дислокаций затруднена.

Объемные (трехмерные) дефекты: макроскопические трещины, поры, включения и т.д.

Наклеп металла

Из многолетнего опыта известно, что после ковки холодного металла заметно возрастают его прочность и твердость. В то же время он становится хрупким. Это явление получило название «наклеп». Наклепом называют как сам процесс изменения внутреннего строения металла при холодной пластической деформации, так и получающийся при этом результат, т.е. повышение прочности и твердости, сопровождающееся уменьшением пластичности.

Свойства металлов

Физические: магнитные, эл.проводность, теплопроводность, плотность, теплоемкость, температура плавления и др.

Химические: коррозия

Механические: прочность, твердость, пластичность, вязкость

Технологические: литейные (жидкотекучесть, усадка), ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущим инструментом

Специальные: жаропрочность, жаростойкость, сопротивление коррозии, износостойкость.