Дефекты кристаллической решетки. Их влияние на сопротивляемоть разрушению.

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества 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

Точечные дефекты (рис. 1.10) 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(дефект внедрений) (дефекты Френкеля); в) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решет

Рис. 1.10. Точечные дефекты в кристаллической решетке: а - вакансия; б - дислоцированный атом; в - примесный атом внедрения

ки, - примесные атомы(дефект замещений).

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 повышается при нагреве, особенно вблизи температуры
плавления. Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии.

Косвенным доказательством образования вакансий в кристаллической решетке может служить простой эксперимент с нагревом двух одинаковых образцов алюминия до температуры, на несколько градусов меньшей его температуры плавления. Если ох-этих образцов провести с разной скоростью, то при комнатной температуре объем быстро охлажденного (закаленного) образца будет на 0,2 % больше, чем объем медленно охлажденного (отожженного) образца. Объясняется это тем, что при
температуре, близкой к температуре плавления, благодаря диффузии части атомов к поверхности в металле образуется большое число вакансий. В случае медленного охлаждения большинство атомов успевает вернуться в исходное положение. При быстром охлаждении эти вакансии не успевают вернуться в исходное состояние и остаются в структуре закаленного образца. Если же закаленный образец вновь нагреть и медленно охладить, разница между объемами образцов исчезнет.

Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии - перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатом-ные 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 смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление.

 

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов - дислокации (лат. dislocation - смещение).

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. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов. Интересно, что создание стройной теории дислокаций надолго определило возможность их практи-ческого обнаружения. Существование дислокаций было предсказано значительно раньше, чем было выявлено их присутствие в металле. Дислокации были обнаружены лишь с помощью элек- микроскопа благодаря сопутствующим деформациям или искажениям кристаллической решетки. При прохождении пучка электронов через такие искажения происходит дифракция электронов, подобная дифракции рентгеновских лучей. На рис. 1.11 приведена схема участка кристаллической решетки с одной «лишней» атомной полуплоскостью, т. е. краевой. Линейная атомная полуплоскость PQQ'P' называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости – линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют и обозначают знаком "1", если в нижней - то отрицательной и обозначают
знаком "Т". 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. При прохождении пучка электронов через такое искажение решетки происходит дифракция. Дислокации выявляются также с по-мощью 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. 1.12).

Винтовые дислокации

могут быть получены путем частичного сдвига атомных слоев по плоскости Q, который нарушает 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 враще- нием по часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки - левой.

Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристаллическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже растянута.

Билет №4.