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 амплитудойколебаний, но и способны перемещаться из одного места расположения в другое. Как правило, наиболее легко передвигаются атомы 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, атом2, 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 несовершенствамияв­ляются 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.