Материаловедение. Занятие №3.
Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. Для реального металла характерно наличие значительного количества дефектов строения, что весьма существенно отражается на свойствах материала. Для лучшего понимания этого важного вопроса рационально рассмотреть классификацию важнейших видов дефектов строения поликристаллического металла. Дефекты бывают объемные, точечные, линейные и поверхностные.
Основной причиной возникновения несовершенства строения кристаллов являются тепловые колебания в узлах кристаллической решетки отдельных атомов в процессе кристаллизации, а также наличие примесей и результат механических воздействий.
Объемные дефекты имеют значительную протяженность во всех направлениях. Примерами таких дефектов являются усадочные, газовые раковины, трещины, образовавшиеся на различных этапах технологического процесса производства слитков, отливок или при дальнейшей обработке этих полуфабрикатов. Разупрочняющая роль таких дефектов очевидна.
Точечные дефекты возникают тогда, когда отдельные атомы покидают свои места в узлах кристаллической решетки и переходят или в межузлие (межузельный атом), или на поверхность кристалла, оставляя в решетке незаполненный узел — вакансию (рис. 1).
Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация вакансий, а также межузельных атомов. Чем выше температура, тем больше концентрация вакансий и тем чаще они переходят от узла к узлу.
Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефектов, они ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов: диффузию, спекание порошков и т.д.
Точечные дефекты вызываются также инородными атомами (рис. 1, а), количество которых даже в технически чистых металлах весьма велико. Особенно много таких атомов в сплавах.
Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и в определенной мере влияют на физические свойства. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства влияние их
Рис. 1.Точечные дефекты в кристаллической решетке: а — примесный атом внедрения; б — вакансия; в — межузельный атом незначительно. Большое влияние точечные дефекты оказывают на механические свойства в сплавах.
Линейные дефекты являются более сложным нарушением структуры кристалла и связаны с нарушением местоположения целой группы атомов, расположенных вдоль какой-либо воображаемой линии в кристалле.
Важнейшие виды линейных несовершенств — краевые и винтовые дислокации (в переводе на русский язык слово «дислокация» означает «смещение»). На рис. 2, а показан прямоугольный кристалл, в котором верхняя часть сдвинута в направлении стрелки относительно нижней части по плоскости АВСИ на одно межатомное расстояние. Линия АВ — граница, до которой распространился сдвиг в кристалле.
На рис. 2, 6 показан разрез кристалла по атомной плоскости, перпендикулярной линии А В. Здесь видно, что в результате такого сдвига в верхней части кристалла оказалась атомная плоскость АХ, которая не имеет продолжения в нижней части кристалла. Такую «лишнюю» полуплоскость называют экстраплоскостью. Важно, что наибольшие искажения в кристаллической решетке от наличия экстраплоскости находятся вблизи ее нижнего края: выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше, а ниже края — больше нормальных. Атомы на кромке экстраплоскости имеют меньше соседей, чем любой другой атом внутри решетки. Вдоль линии дислокации искажения кристаллической решетки распространяются на большое расстояние, В двух других измерениях поперек линии дислокации они простираются всего на десятки параметров. Выход дислокаций на поверхность зерен обнаруживается в виде ямок травления. Таким образом, край экстраплоскости создает одномерный линейный дефект в кристаллической решетке. Сам край экстраплоскости в этом дефекте называется ядром дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокация считается положительной и обозначается знаком — X. Если экстраплоскость находится в нижней части кристалла, то дислокация считается отрицательной и обозначается — Т.
Если рассматривать дислокацию как результат сдвигового процесса, то дислокация — это линейное несовершенство, образующее внутри кристалла границу зоны сдвига.
Винтовая (спиральная) дислокация может быть пояснена с помощью представления о дезориентации блоков, как это показано на рис. 3. Участок, примыкающий к оси дислокации, представлен в виде двух блоков, один из которых как бы соскользнул на один период по отношению к соседнему блоку (рис. 3, а).
Если обойти по периметру верхней изогнутой поверхности двух блоков против часовой стрелки, то за один оборот произойдет подъем на высоту, равную межплоскостному расстоянию. На рис. 3, б изображены две соседние атомные плоскости, примыкающие к месту сдвига блоков. По отношению к трехмерному изображению (рис. 3, а) это будет вид справа. Ось винтовой дислокации изображена вертикальной прямой, плоскость левого (сдвинутого вверх) блока — пунктирными линиями, а плоскость правого блока — сплошными.
Рис. 2.Образование краевой дислокации Л В при сдвиге (а), экстраплоскость и положительная краевая дислокация (б)
Рис. 3.Винтовая дислокация ции, наибольшие искажения решетки имеют место вблизи оси дислокации.
Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов (при срастании зерен и блоков) из группы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений. Важной характеристикой дислокаций является их плотность. Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокации / (см), приходящуюся на единицу объема V (см3) кристалла.
Важным свойством дислокаций является то, что они «притягивают» в свою зону чужеродные атомы. Происходит это в том случае, если такие атомы снижают в зонах с нарушенной периодичностью уровень упругих искажений структуры. Поэтому примеси в зоне расположения дислокаций образуют «атмосферу» из чужеродных атомов, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.
Дислокации наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выделении второй фазы из твердого раствора. Скорость диффузии вдоль дислокаций на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов.
Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Например, теоретическая прочность железа равна 14 000 МПа. А реальная прочность чистого железа достигает всего 220 МПа, т.е. в 70 раз меньше. Это расхождение удались объяснить только на основании теории дислокаций. Качественная зависимость прочности от плотности дислокаций показана на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость прочности от плотности дефектов.
1 — идеальный кристалл без дефектов; 2 — почти совершенные кристаллы; 3 — отожженные металлы; 4 — металлы с увеличенной плотностью дефектов после различных обработок
Отожженные металлы имеют наименьшую прочность. Увеличение плотности дефектов приводит к увеличению прочности. Прочностью, близкой к теоретической, обладают бездефектные кристаллы (в том числе длинные и тонкие «усы», полученные кристаллизацией из газовой фазы), но получить и использовать их трудно. На практике пока используют только правую ветвь кривой.
Поверхностные дефекты. В промышленности применяются как поликристаллические, так и монокристаллические материалы. В первом случае материал состоит из большого количества мелких кристаллов-зерен (рис. 5). Каждое зерно металла состоит из отдельных блоков или субзерен, образующих так называемую мозаичную структуру или субструктуру.
Зерна металла обычно разориентированы относительно друг друга на величину от нескольких долей градусов до нескольких градусов или даже десятков градусов. Блоки или субзерна повернуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут.
В пределах каждого блока или субзерна решетка почти идеальная, если не учитывать точечных несовершенств. Размеры блоков оказывают влияние на свойства металла.
Границы между отдельными кристаллитами (зернами) представляют собой переходную область шириной в 5—10 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристалла, имеющего
Рис. 5.Схема зернистой структуры.
Имеет определенную кристаллографиче с кую ориентацию, переходит в решетку другого кристалла, имеющего иную кристаллографическую ориентацию. Поэтому на границе зерна атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна. Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границах блоков и субзерен. При переходе от одного субзерна каждая плоскость, по которой располагаются узлы кристаллической решетки, претерпевает перелом. Таким образом, у соседних субзерен кристаллические решетки упруго сопряжены. При переходе же от одного зерна к другому наблюдается полная независимость расположения атомных плоскостей. Границы субзерен, также как и границы зерен, являются местом скопления линейных и точечных дефектов кристаллических решеток. Границы представляют собой поверхностные дефекты.
Задание: 1. Подготовить конспект лекции в печатном word-документе.
2. Предоставить методы устранения дефектов кристаллического строения материалов.
Срок выполнения 22.01.2021.