Дефекты в кристаллах

Идеального кристаллического строения в природе не бывает. Экспериментально установлено наличие трех типов дефектов микроструктуры на атомном уровне в металлах и сплавах: точечных, линейных и поверхностных.

Точечные дефекты (рис. 1.3) малы во всех трех измерениях и искажают кристаллическую решетку только на расстояниях порядка 10^–10 м. Концентрация точечных дефектов в металлах при комнатной температуре составляет порядка 10^–13 ат. %; при нагреве до температур, близких к плавлению, и при интенсивном облучении нейтронами в ядерном реакторе она может достигать 1–3 ат. %, что приводит к разбуханию и потере прочности металлоконструкций.

Линейные дефекты (рис. 1.4) имеют большую протяженность в одном измерении и проявляются в нарушении правильного расположения атомных плоскостей.

Плотность дислокаций – суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема, составляет у чистых неупрочненных металлов 10⁶–
10⁸ см^–2, а у деформированных – достигает 10¹² см^–2, дальше появляются трещины и металл разрушается.

Рис. 1.4. Линейные дефекты: краевая (слева) и винтовая дислокация (справа)

Поверхностные дефекты имеют большую протяженность в двух измерениях (рис. 1.5.); представляют собой рассогласования в расположении пакетов атомных плоскостей между разными зернами (большеугловые границы) и внутри отдельных зерен (малоугловые границы). Границы между зернами обусловлены поликристаллическим строением металлов, а малоугловые границы – упорядоченным скоплением большого количества краевых дислокаций.

Важнейшими дефектами являются дислокации, так как их плотностью, а, следовательно, и свойствами материала можно управлять в очень широком диапазоне (рис. 1.6). Традиционными методами повышения прочности материалов за счет повышения числа дислокаций являются: легирование, термическая обработка и холодное деформирование. В ХХ в. физики научились выращивать нитевидные кристаллы (длиной 2–10 мм и диаметром 0,5–2 мкм) с одной винтовой дислокацией – усы, прочность которых близка к теоретической. Они используются для армирования высокопрочных волокнистых композиционных материалов, в приборостроении (для микроподвесок), микроэлектронике и т. п.

		Рис. 1.6. Зависимость сопротивления деформации от плотности дислокаций и других дефектов кристаллического строения металлов: 1 – теоретическая прочность; 2 – усы; 3 – чистые неупрочненные металлы; 4 – сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической или термомеханической обработкой