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 дефекты по 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.