Дефекты кристаллического строения

Идеальные кристаллы в природе не встречаются. Реальные кристаллы, в том числе металлы, всегда имеют отклонения от правильного строения, или дефекты.

Дефекты кристаллического строения классифицируют по геометрическому признаку – по размерам. Различают точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты.

1) Точечными называют дефекты, которые малы во всех трех пространственных направлениях, т. е. соизмеримы с межатомным расстоянием. Это вакансии, межузельные атомы, примеси замещения и внедрения.

Вакансия – это отсутствие атома в узле кристаллической решетки, «пустое место». Атомы вокруг вакансии сближаются, так как в этом месте F_пр > F_отт. Кристалл как бы сжимается, стремится «залечить» дефект (рис. 6, а).

Вакансии играют огромную роль в процессах диффузии: они способствуют движению атомов внутри металла.

Число их растет с увеличением температуры: атомы с поверхности металла могут улетать, получив дополнительную энергию, а образовавшиеся вакансии продвигаются вглубь металла.

Межузельный атом – это собственный, «родной» атом металла, выбитый из узла. Их всегда меньше, чем вакансий. Вокруг межузельного атома соседи раздвигаются: здесь F_отт > F_пр (рис. 6, б).

Примесной атом, или примесь – это атом другого, «чужого» вещества, попавшего в металл (обычно из руды при выплавке). Примесные атомы могут замещать собственные в узлах кристаллической решетки (примесь замещения) или занимать поры между ними (примесь внедрения). Примесные атомы искажают решетку сильнее, чем собственные межузельные (рис. 7).

Из всех точечных дефектов существенное влияние на прочность металла оказывают только примеси, особенно примеси внедрения. Они затрудняют пластическую деформацию металла, поэтому повышают прочностные характеристики.

Рис. 7. Точечные дефекты: примесные атомы

2) Линейными называют дефекты, которые малы только в двух пространственных направлениях, а в третьем имеют протяженность в тысячи и миллионы межатомных расстояний. Эти дефекты называют дислокациями. Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные.

Краевая дислокация – это область под краем незавершенной, недостроенной атомной плоскости в металле. (Можно сказать и «над краем», так как понятия «низ» и «верх» в тонкой структуре металла не имеют значения.) Недостроенная плоскость является как бы «лишней», нарушающей идеальную структуру металла (рис. 8, а). Ее называют экстра-плоскостью.

Краевая дислокация может возникнуть при воздействии силы P, деформирующей кристалл: в верхней части кристалла сдвиг прошел до линии AB, а левее этой линии кристалл остался недеформированным. Возникла экстра-плоскость, край ее AB и есть линия краевой дислокации (рис. 8, б).

У края экстра-плоскости создается разрежение атомов, поэтому ближайшие к нему атомы сдвигаются в сторону отсутствующего ряда. Решетка здесь стремится сжаться, «закрыть» дефект. Область искажения решетки мала в двух направлениях, а в третьем может проходить через весь кристалл. Можно представить краевую дислокацию как трубку диаметром в 2-3 межатомных расстояния, но очень большой длины. В эту разреженную область должны стремиться атомы примесей, так как это энергетически выгодно.

Винтовая дислокация подобна винтовой лестнице; это атомная плоскость, закрученная в спираль и ставшая винтовой поверхностью.

Условно можно представить, что винтовая дислокация возникает, если надрезать кристалл до какой-то прямой AB, а затем сдвинуть одну надрезанную половинку вниз относительно другой на одно межатомное расстояние. В области надреза образуется ступенька на каждой атомной плоскости. Получается, что весь кристалл представляет собой винтовую поверхность, «закрученную» вокруг линии AB (рис. 9).

Чаще всего встречаются смешанные дислокации: краевая и винтовая переходят одна в другую. На рис. 10 AB – линия смешанной дислокации.

Количество дислокаций в металле характеризуют их плотностью. Плотность дислокаций ρ – это суммарная их длина в единице объема:

.

Дислокации возникают при зарождении и росте кристаллов, а также при деформации.

Дислокации играют важнейшую роль в теории прочности, пластичности и разрушения металлов. Влияние их на прочность неоднозначно: с появлением дислокаций прочность идеального кристалла резко снижается, но при очень большой их плотности снова начинает расти (рис. 11).

Рис. 11. Влияние плотности дислокаций на прочность:

1 – идеальный кристалл; 2 – «усы», кристаллы с минимальной плотностью дефектов;

3 – отожженные металлы; 4 – сильно деформированные металлы

с высокой плотностью дислокаций

3) Поверхностными называют дефекты, которые малы в одном направлении, а в двух других – намного больше межатомного расстояния. Это границы зерен в поликристаллах, границы субзерен и двойников:

Угол разориентировки между двумя соседними зернами может быть любым, а между двумя субзернами в зерне – не более 6º.

Рис. 12. Поверхностные дефекты: границы зерен, субзерен и двойников

Очень важно хорошо представлять, что граница зерна – это не «стена» из чего-то между соседними зернами и не пустота между ними. Это область, где нарушается строго упорядоченное строение металла: атомные плоскости в одном зерне не имеют продолжения в соседнем, там атомные плоскости расположены в другом направлении.

Надо также не забывать, что границы зерен – не линии, хотя именно так мы видим их на отполированной и протравленной поверхности металла. Это поверхности раздела между зернами, представляющими собой неправильные многогранники. Каждое зерно как бы «завернуто» в свою границу.

Влияние поверхностных дефектов на прочность металла велико: границы зерен и субзерен являются препятствиями для развития деформации, а значит – упрочняют металл. Чем больше поверхность границ в единице объема, тем прочнее металл.

4) Объемные дефекты во всех трех измерениях намного больше межатомного расстояния. Это раковины, поры, зародыши трещин, неметаллические включения. Все объемные дефекты являются очагами возможного разрушения, т. е. влияют на прочность отрицательно.

Возможно, причиной катастрофы «Титаника» послужили неметаллические включения в заклепках, соединявших листы корпуса (сварные корпуса тогда еще не делали). Пробоина от столкновения с айсбергом была не так велика, чтобы судно затонуло. Но его корпус разломился практически пополам. Исследователи нашли, что 15 % из сохранившихся заклепок имели значительные неметаллические включения, следовательно, могли разрушиться при ударе. Поэтому гибель корабля была такой стремительной.

Лекция 3