Реальное строение металлических кристаллов

Необходимо знать, что порядок в расположении ато­мов (упаковка) имеется не по всему объему кри­сталла (кристаллической решетки).
В реальности кристаллы в структуре металла имеют структурные несовершенства: точечные, линейные и поверхностные.

 

Точечные несовершенства – это дефекты, которые в трёх пространственных измерениях (X, Y, Z) малы, при этом их размеры не превышают нескольких атомных диаметров. Известно, что атомы находятся в колебательном движении, чем выше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Большинство атомов металла в кристаллической решетке обладает одинаковой (средней)энергией и колеблется с одина­ковой амплитудой, а отдельные атомы имеют энергию, значи­тельно превышающую сред­нюю энергию. Такие атомы обладают не только большей амплитудой колебаний, но и способны перемещаться из одного места расположения в другое. Как правило, наиболее легко передвигаютсяатомы поверхностного слоя, выходя на поверхность (на­пример, атом 1, рис. 4, а). Участок, где находился такой атом (свободный узел), назы­вается вакансией, которая не остается свободной. Через некоторое время в нее перемещается один из соседних атомов из более глубокого слоя (например, атом 2, рис. 4, б), а поки­нутый им узел также становится вакансией; затем перемещается, например, атом 3 (рис. 4, в) и т. д. Таким образом, вакансия пере­ме­щает­­ся в глубь кристалла. Как видно из рис. 4, г, вакансия искажает кристаллическую решетку. Количество вакан­сий увеличивается с повышением температуры, и они чаще переходят из одного узла в другой. Вакансии играют основную роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах.

Точечные несовершенства появляются и как результат присутствия атомов примесей. Атомы примесей или замещают атомы основного металла в кристалле решетки, или располагаются внутри кристаллической решетки искажая её.

Линейные несовершенства называются дислокациями. Они имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Имеются различные виды дислокаций, одной из которых является краевая (линейная) дислокация.

В идеальном кристалле происходит сдвиг на одно межатомное расстояние одной части кристалла относительно другой, вдоль ка­кой-либо атомной плоскости на участке ADEF (рис. 5, а). Как видно, влево сдвинулась только часть кристалла, находящаяся правее плоскости ABCD. При таком сдвиге число рядов ато­мов в верхней части кристал­ла на один больше, чем в ниж­ней (рис. 5, б). Плоскость ABCD (рис. 5, а) представ­ляет собой в данном случае как бы лишнюю атомную пло­скость (называемую экстра- плоскостью), вставленную в верхнюю часть кристалла (АВ, рис. 5, б). Линия AD (рис. 5, а), перпендикулярная направлению сдвига, являющаяся краем экстраплоскости, назы­вается краевой или линейной дислокацией, длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Особым свойством дислокаций является их подвижность. Объясняется это тем, что кристаллическая решетка в зоне дисло­каций упруго искажена, атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного положения в кристаллической решетке и поэтому атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равно­весное положение.

Необходимо знать, что дислокации рождаются в процессе кри­стал­ли­зации, пластической деформации, термической обра­ботки и т.д.

 

Они присутствуют в металлических кристаллах в огромном количестве (10⁶–10¹² см^-2). Большое влияние на механические и многие другие свойства металлов и сплавов оказывают не только плотность, но и расположение дислокаций в объёме.

Поверхностными несовершенствами яв­ляются границы зерен и блоков металла. Они малы только в одном измерении. На границе между зер­нами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Зерна разориентированы, повернуты друг относительно друга на несколько градусов. По границам зерен скапливаются дислокации и вакансии. Зерно состоит из большого числа разориентированных на очень небольшие углы (десятые доли градусов) областей, называемых субзернами или блоками (рис. 6). Границы блоков представляют собой дислокации, разделяющие зерно на блоки.

 

Анизотропия кристаллов

В пространственном объёме кристаллической решетки атомы рас­положены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных направлениях различны. Такое свойство материи называется анизотропией.

Известно, что анизотропны все кристаллы. Степень анизотропности может быть значительной. Исследова­ния монокристалла (единичного кристалла) меди в различных направлениях показали, что предел прочности σвизменяется от 120 до 360 МПа (от 12 до 36 кгс/мм^2), а удлинение δот 10 до 55 %. В отличие от кристаллов аморф­ные тела (например, смола) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и, следовательно, одина­ковые свойства, т. е. они изотропны. В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликри­сталл), свойства во всех направлениях одинаковы (усредненные). Эта независимость свойств от направления называется квазиизотропией. Если в структуре металла создается одинаковая ориентировка кристаллов, то появляется анизотропия.