Дефекти кристалічної будови металів
У будь-якому реальному кристалі завжди є різноманітні дефекти – зони кристалу, в яких порушено правильне розташування атомів. За геометричними ознаками дефекти кристалічної будови розділяють на точкові (нульмірні), лінійні (одномірні) і поверхневі (двомірні).
Рис. 1.7. Точкові дефекти:
а – вакансія; б – міжвузловий атом; в – заміщений атом
Точкові дефекти малі у всіх трьох вимірах, і розміри їх не перевищують декількох атомних діаметрів. До точкових дефектів відносяться вакансії та міжвузлові атоми. Вакансії (дефекти Шотткі) - це вузли гратки, у яких атоми відсутні (рис.1.7, а). Вакансії найчастіше утворюються в результаті переходу атома з вузла гратки на поверхню, їхнього випаровування з поверхні кристала чи переходу в міжвузловий простір. У кристалі завжди є атоми, кінетична енергія яких значно перевищує середню, властиву заданій температурі нагрівання. Такі атоми, особливо розташовані поблизу поверхні, можуть вийти на поверхню кристала, а їхнє місце займуть атоми, що знаходяться далі від поверхні. Тоді вузли, які належали їм, виявляться вільними, тобто виникнуть теплові вакансії.
Джерелами теплових вакансій є вільні поверхні, межі зерен, пустоти та тріщини. З підвищенням температури концентрація вакансій зростає. При температурі, близькій до температури плавлення, їхня кількість може досягати 1% числа атомів у кристалі. Швидким охолодженням від даної температури можна зафіксувати ці вакансії при нормальній температурі (так звані гартівні вакансії). Кристал, що знаходиться при даній температурі в термодинамічній рівновазі, має рівноважну концентрацію теплових вакансій. Крім одиничних вакансії можуть утворюватися також подвійні, потрійні і їхні угруповання.
Вакансії утворюються не тільки при нагріванні, але й у процесі пластичної деформації, рекристалізації і при бомбардуванні металу атомами чи частками високих енергій (опромінення в ядерному реакторі).
Пересичення вакансіями може відбутися внаслідок раптового охолодження під час гартування, пластичної деформації або опромінення металу нейтронами. З часом пересиченість вакансіями зменшується через їх вихід на поверхню кристалу чи на границі зерен. Вакансії сприяють перебігу дифузійних процесів. Зі збільшенням кількості вакансій зменшуються густина, електро- і теплопровідність кристалу.
Міжвузлові атоми (дефекти Френкеля) утворюються в результаті переходу атома з вузла гратки в міжвузловий простір (рис.1.7, б). На його місці виникає вакансія (на рисунку не зображена). Перехід атомів у міжвузлове положення викликає опромінення нейтронами, при цьому значно менший вплив мають теплові коливання атомів. Однак через те, що в гратках, характерних металам, енергія утворення міжвузлових атомів у декілька разів перевищує енергію теплових вакансій, то основними точковими дефектами є теплові вакансії.
Атоми домішок є навіть у найчистішому металі. Вони або заміщають атоми основного металу у вузлах кристалічної ґратки або розташовуються між вузлами (рис.1.7, в).
Точкові дефекти викликають місцеве спотворення кристалічної гратки і впливають на деякі фізичні властивості металів (електропровідність, магнітні властивості) і фазові перетворення. На механічних властивостях металу спотворення кристалічної ґратки суттєво не позначаються.
Лінійні дефекти мають малі розміри в двох вимірах і велику протяжність у третьому. Ними можуть бути декілька вакансій чи міжвузлових атомів. Найважливішим видом лінійних недосконалостей є крайові та гвинтові дислокації (dislосаtіоп з латинської – „розміщення”).
Дислокації утворюються у процесі кристалізації металів при "захлопуванні" групи вакансій, у процесі пластичної деформації чи фазових перетворень. Характеристикою дислокаційної структури є щільність дислокацій - сумарна довжина дислокацій (у см) на одиницю об’єму кристала (у см3).
Крайова дислокація - це лінія АВ (рис.1.8, а)на краю зайвої атомної півплощини АВЕС в кристалі. Одним із способів утворення крайової дислокації є зсув частини атомів кристалу відносно іншої частини атомів на ділянці площини ковзання АВСD) під дією прикладеної сили F. Внаслідок такого зсуву у верхній частині кристалу маємо на одну атомну площину більше, ніж у нижній. Зайва площина АВЕС, яка перпендикулярна до напрямку зсуву, називається екстраплощиною. Вона не має продовження у нижній частині кристалу. Екстраплощина ніби розклинює кристал, зближаючи атоми над дислокацією і розсуваючи їх під нею. Тому в невеликій спотвореній зоні - ядрі дислокації - міжатомні відстані менші або більші від нормальних, а поза межами ядра вони нормальні. Крайова дислокація АВ простягається на багато тисяч міжатомних відстаней. Пересування дислокації під дією сили Р може відбуватись доти, поки вона не вийде на поверхню кристалу, де утвориться сходинка (рис.1..., в). Якщо екстраплощина є у верхній частині кристалу, то дислокація умовно вважається позитивною і позначається знаком..., а якщо екстраплощина лежить у нижній частині, то - негативною і позначається ......
Рис. 1.8. Крайова дислокація АВ, яка виникає внаслідок зсуву
Рис.1.9. Схема визначення вектора Бюргерса:
а - реальний кристал; б - ідеальний кристал; в - вектор Бюргерса
Дислокації можуть взаємодіяти і між собою, і з іншими дефектами. Оскільки над дислокацією існує локальна зона пружних деформацій стиснення, то сусідні дислокації з однаковим знаком взаємно відштовхуються, а з протилежним знаком - взаємно притягаються. При цьому дислокації з різними знаками, рухаючись назустріч в одній площині ковзання, можуть взаємно знищуватись (анігілювати), утворюючи з двох півплощин одну повну площину.
У зону розсунутих атомів надходять атоми домішок і розташовуються вздовж краю екстраплощини. Таке скупчення домішкових атомів називається атмосферою Коттрелла. З підвищенням температури концентрація домішкових атомів біля дислокацій зменшується, а зі зниженням температури - зростає. Домішкові атоми блокують переміщення дислокацій. Тому утворення атмосфер Коттрелла істотно зменшує пластичність металу.
Спотворення кристалу в ядрі дислокації оцінюють вектором Бюргерса. Для знаходження вектора Бюргерса розглянемо два кристали: один - недосконалий із крайовою дислокацією (рис. .1.9, а) і другий -досконалий без дислокації (рис.1.9, б).
Навколо крайової дислокації за межами спотвореного ядра, тобто в тих вузлах, де спотворень практично немає, проведемо від вузла А (рис. 1.9, а) контур у вигляді вертикальних і горизонтальних відрізків АВ, ВС, СD, DА, що з'єднують сусідні вузли ґратки. Він замкнеться на відрізку DА, який складається не з шести, а з п'яти міжатомних відстаней. Якщо такий самий шлях від вузла до вузла пройти в досконалому кристалі, то відрізок В'А' вмістить в собі шість міжатомних відстаней. Різниця довжин відрізка D'А контура в досконалому кристалі і відрізка DА контура в кристалі з крайовою дислокацією називається вектором Бюргерса й позначається буквою в . Вектор Бюргерса дорівнює одній міжатомній відстані й у випадку крайової дислокації перпендикулярний до лінії дислокації АВ (рис. 1.8).
Кількісною характеристикою дислокаційної структури є густина дислокацій ρ, яка дорівнює відношенню сумарної довжини дислокацій Σl до об'єму кристалу V:
ρ = ∑l ∕ V. (1.2)
Густина дислокацій помітно впливає на механічні властивості: з її збільшенням зростає міцність і знижується пластичність металів.
Дислокації виникають під час кристалізації, пластичної деформації, фазових перетворень. Швидкість дифузії вздовж дислокацій значно вища, ніж в кристалах без дислокацій.
Гвинтова дислокація є лінією АВ (рис.1.10), що нею обмежена площина Q, в якій відбувся зсув сусідніх частин кристалу на одну міжатомну відстань у напрямку дії сил F. При цьому паралельні атомні площини в безпосередній близькості від лінії дислокації АВ трансформуються у гвинтову поверхню. В ядрі дислокації атоми зсунуті з положень рівноваги. Гвинтові дислокації, на відміну від лінійних, не притягують вакансій і міжвузлових атомів. Гвинтова дислокація є правою, якщо хід її гвинтової поверхні такий, як у правої різьби, і лівою, якщо хід - як у лівої різьби.
Рис.1.10. Схема гвинтової дислокації АВ
Поверхневі дефекти представляють собою поверхні розділу між окремими зернами в полікристалічному металі. Вони малі в одному вимірі і значно більші в двох інших. До цих дефектів належать границі зерен, границі фрагментів і блоків.
Конструкційні метали та їх сплави мають полікристалічну будову: вони складаються із безлічі дрібних (1000…0,1 мкм), по-різному орієнтованих один відносно другого кристалів, які мають неправильну форму і називаються кристалітами або зернами. Сусідні зерна мають неоднакову орієнтацію кристалічних ґраток. Між зернами існують вузькі перехідні зони шириною до декількох атомних діаметрів - границі зерен із нерегулярним розташуванням атомів.
Рис.1.11. Поверхневі дефекти (границя зерен)
На границях концентруються дислокації та домішки. Зерно не є кристалом ідеальної будови. Воно складається з фрагментів, а фрагменти - з блоків. Ґратки сусідніх фрагментів розорієнтовані на кут до кількох градусів, а ґратки сусідніх блоків - на кут менший за один градус. На границях фрагментів і блоків концентруються дислокації (рис.1.11). Якщо розорієнтація сусідніх зерен становить декілька десятків градусів, то такі границі називають великокутовими, а при розорієнтації до 5° - малокутові границі. Малокутові границі властиві фрагментам і блокам (рис.1.12); вони утворюються під час холодної деформації, рекристалізації й полігонізації.
По границях зерен порівняно легко здійснюється дифузія. Границі зерен мають помітний вплив на механічні властивості металів. Що дрібніші зерна, то вища пластичність і міцність металів.
Локальні нагромадження точкових дефектів (вакансій), а також газові порожнини, мікротріщини й неметалеві включення в металі називають об'ємними дефектами.