Дефекты кристаллического строения. Прочность бездефектных и реальных кристаллических тел.

В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения. По геометрическим признакам их подразделяют на точечные (нульмерные), линейные (одномерные) и поверхностные (двумерные).

Точечные – малы во всех направлениях, размеры не превышают нескольких атомных диаметров

Вакансии (дефекты Шоттки) – узлы, в которых атомы отсутствуют. Вакансии образуются в результате нагрева, пластической деформации, рекристаллизации, бомбардировки металла атомами или частицами высоких энергий (нейтронное облучение в ядерном реакторе).

Межузельные атомы (дефекты Френкеля) образуются в результате перехода атома из узла в междоузлие. На месте атома, вышедшего из узла решетки в междоузлие образуется вакансия.

Точечные несовершенства появляются и как результат присутствия атомов примесей. Атомы примесей либо замещают атомы основного металла, любо находятся в междоузлии, искажая решетку.

Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки. Вокруг межузельного атома смещение соседей значительно больше, чем вокруг вакансий.

Наличие вакансий предопределяет возможность диффузии, т.е. перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие межатомные.

Линейные дефекты кристаллической решетки имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем – дислокации.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости (экстраплоскости).

Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в кристалле – сдвиг. Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировать положение, когда сдвиг охватит не всю плоскость скольжения, а только ее часть, то граница АВ между участками, где скольжение уже произошло и не произошло и будет дислокацией.

Винтовая дислокация так же, как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по плоскости. В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация параллельна вектору сдвига (t // ВС).

Энергия искажения кристаллической решетки является одной из важнейших характеристик дислокации любого типа. Критерием этого искажения служит вектор Бюргерса, который представляет собой разность периметров контуров вокруг данного атома в плоскости идеальной решетки и вокруг центра дислокации в реальной решетке, показывающую величину и направление сдвига в процессе скольжения.

Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций. Под плотностью дислокаций r понимают суммарную длину дислокаций, приходящуюся на единицу объема:

[см^-2]

Теория дислокаций возникла в 20-тые годы с целью объяснения различия теоретической и фактической прочности металлов. Так, для Fe =13000 МПа, а =150 МПа, т.е. в 100 раз меньше.

Действительно, при наличии дислокаций, когда атомы перемещаются последовательно на расстояния меньше межатомных, сдвиг объема происходит значительно легче, т.е. при меньшем напряжении, чем этого потребовал бы одновременный сдвиг всех атомов. Фактически так и осуществляется пластическая деформация (скольжением дислокаций).

В случае если под действием напряжений дислокации не зарождаются, то значение прочности бездислокационного металла приближается к теоретической. С увеличением числа дислокаций реальная прочность вновь начинает возрастать, так как создаются препятствия для движения дислокаций.

Поверхностные дефекты– границы зерен, фрагментов и блоков

Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов.

Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.

Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько минут, градусов. Эти участки называются фрагментами (субзерна).

 

ТЕМА 2

Теория кристаллизации сплавов.

2.1. Особенности жидкого состояния металлов. Механизм и кинетика кристаллизации. Закономерности образования и роста кристаллов.

2.2. Аморфные металлы. Полиморфные превращения в металлах.

2.3. Сущность процесса модифицирования.

2.4. Строение металлического слитка.