Строение реальных кристаллов

Технические металлы состоят из большого количества кристаллов (зерен) т.е. являются поликристаллическими. Реальные кристаллы всегда содержат дефекты – искажения правильного расположения атомов в пространстве.

Различают следующие несовершенства кристаллического строения: точеные, линейные и поверхностные.

1 Точеные дефекты малы во всех трех измерениях, по размерам они сравнимы с межатомными расстояниями. К ним относятся вакансии (отсутствие атома в узле кристаллической решетки) и межузельные или дислоцированные атомы (атом находится в межузельном пространстве кристаллической решетки). Образование точеных несовершенств связано с диффузионным перемещением атомов под действием тепловых колебаний. С повышением температуры металлов концентрация точеных дефектов растет, но при любой температуре вакансий в кристаллах неизмеримо больше, чем межузельных атомов в силу различия их энергии образования (на образование вакансии требуется энергия 1-2 ЭВ, а на образование межузельного атома 5-6 ЭВ).

Число точеных дефектов не велико и составляет даже при высоких температурах 1-2 %.

Все точеные дефекты искажают кристаллическую решетку, а также оказывают влияние на некоторые физические свойства металлов (электропроводность, магнитные свойства) и на фазовые превращения.

2 Линейные дефектыпо размерам в двух направлениях малы (сравнимы с межатомных расстоянием) а в третьем пространстве простираются на многие тысячи периодов кристаллической решетки. Важнейшими видами линейных несовершенств являются краевые и винтовые дислокации.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» полуплоскости, называемой экстраплоскостью (полуплоскость, не имеющая продолжения в нижней или верхней частях кристаллической решетки). Краевая дислокация представляет собой область упругих искажений, проходящих вдоль края экстраплоскости. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком «┴», а если в нижней – отрицательной и обозначают «Т».Различие между положительной и отрицательной дислокацией условно.

Винтовая дислокация – это область упругих искажений кристаллической решетки, проходящая вдоль линии, вокруг которой атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности. В зависимости от направления изгиба различают правую дислокацию, если винтовая дислокация образована движением по часовой стрелке, и левую – против часовой стрелки.

Дислокации (краевые и винтовые) не могут обрываться внутри кристалла. Они выходят на границы кристалла, прерываются другими дислокациями или образуют дислокационные петли.

Для дислокации характерна их легкая подвижность, т.к. решетка в их зоне искажена, и атомы смешены относительно своего первоначального (равновесного) положения в идеальной кристаллической решетке.

Чем легче перемещаются дислокации, тем ниже прочность металла и тем легче происходит пластическая деформация. Дислокации образуются в процессе кристаллизации, при пластической деформации, при термической обработке. С увеличением плотности дислокаций их движение постепенно затрудняется, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется. Препятствовать движению дислокаций, т.е. упрочнять металл можно введением легирующих элементов, наклепом, термической или термомеханической обработкой. Понижение температуры также препятствует перемещению дислокации, но при этом металл становится еще и хрупким.

Таким образом, дислокации и прочность металла взаимосвязаны. Существует два пути увеличения прочности: 1 получить металл с близким к идеальному строением кристаллической решетки, в котором отсутствуют несовершенства; 2 увеличить число этих дефектов в решетке, чтобы они препятствовали движению дислокаций.

Включение бездислокационных нитевидных кристаллов («усов») в структуру метала резко повышает его прочность.

3 Поверхностные несовершенства – границы зерен металла. При затвердевании (кристаллизации) реального металла образуются участки с неодинаковой пространственной ориентировкой решеток. Их называют зернами. Зерно состоит из большого числа блоков, угол разориентировки которых не превышает 5⁰, их размер 10^{-5 см.. По границам зерен скапливаются дислокации и вакансии. Вакансии приводят к повышенной концентрации примесей на границе зерен, что препятствует перемещению здесь дислокаций. Все это влияет на механические свойства металла.}

Размер зерен металла колеблется от нескольких микрон до миллиметров. Чем мельче зерно, тем выше прочность металла, одновременно увеличивается его пластичность и вязкость. Повышенные пластичность и вязкость зависят от однородности химического состава и мелкозернистого строения металла, несовершенств, приводящих к образованию в металле трещин.

Помимо трех несовершенств (дефектов) в кристаллическом строении реального металла присутствуют макродефекты – газовые пузырьки, поры, неметаллические включения, микротрещины и т.д., которые снижают прочность металла.