Поверхностные дефекты решетки металла

Кристаллическое состояние вещества характеризуется жестко закономерным порядком размещением частиц в кристаллической решетке, который периодически повторяется и соответствует минимальному значению энергии системы, что согласуется с наличием ближнего и дальнего порядков. Кристаллическая структура с таким размещением частиц называется идеальным кристаллом. Однако реальные кристаллы обычно имеют несовершенное строение, что объясняется наличием дефектов кристаллической решетки.

Дефекты кристаллической решетки — это нарушение симметрии и идеальной периодичности в строении кристалла, а также отклонения строения от совершенной структуры.

  • Дефекты кристаллической решетки возникают в процессе роста кристалла вследствие неравновесности условий роста и наличия примесей, а также под влиянием механических и тепловых воздействий, электрических и магнитных полей или под действием ионизирующего излучения.
  • Дефекты в кристаллах классифицируются по различным признакам.
  • По происхождению дефекты кристаллической решетки делятся на микродефекты (нарушения в периодичности размещения частиц в кристаллической структуре) и макродефекты (трещины, укоренение молекул газа или маточного раствора).
  • По природе дефекты кристаллической структуры делятся на электронные и атомные.
  1. Электронные дефекты. К ним относятся избыточные электроны проводимости в кристалле и незаполненные валентные связи или вакантные орбитали — так называемые положительные дырки. Для кристалла, который находится в состоянии равновесия, количества электронов проводимости и положительных дырок одинаковы. Именно электроны и дырки обусловливают электропроводность твердых веществ. При определенных условиях (например, при наличии в кристалле химических примесей, входящих в его структуру) количество электронов и дырок может не совпадать — такое состояние наблюдается в полупроводниках.
  2. Атомные дефекты. В зависимости от размеров различают несколько разновидностей атомных дефектов: точечные, линейные (или дислокации), поверхностные и объемные.

Точечные дефекты связаны с отсутствием атома в узле кристаллической решетки или, наоборот, с появлением лишнего атома в узле или в междоузлие.

 Итак, точечные дефекты существуют в виде вакантных узлов (вакансий), в виде смещения частицы из узла кристаллической решетки в пространство между узлами (дефект укоренение) или в виде проникновения чужеродных атомов или ионов в кристаллическую решетку (дефект замещения — твердые растворы).

Поверхностные дефекты решетки металлаВиды точечных дефектов

В ионных кристаллах вакансии должны быть скомпенсированы таким образом, чтобы кристалл в целом был электронейтральным, поэтому точечные дефекты в кристалле возникают парами и бывают разноименно заряжены.

Поверхностные дефекты решетки металлаВакансии в кристаллической решетке: а) в атомном кристалле; б) в ионном кристалле вакансия катиона; в) в ионном кристалле вакансия аниона

В реальных условиях формирования кристаллов происходит в разных условиях, в разных окружающих средах, что сказывается на характере и особенностях дефектов кристаллической решетки, которые возникают при росте кристалла. Рассматривают два основных механизма образования точечных дефектов:

  • механизм по Шоттки — возникновение системы вакансий, которая сохраняет стехиометрический состав ионного кристалла благодаря комбинации одинаковых количеств катионных и анионных вакансий.
  • механизм по Френкелю — одновременное возникновение вакансии и укоренение постороннего катиона.

Поверхностные дефекты решетки металлаМеханизмы образования точечных дефектов: а) по Шоттки; б) по Френкелю

Относительное содержание вакансий в кристаллах сравнительно небольше (~10-12 % при н.у.), но оно может быстро увеличиваться при повышении температуры (до 10-5 % при 600 К).

 Несмотря на это, дефекты по Шоттки и Френкелю существенно влияют на стехиометрию твердых веществ, вызывая существование соединений переменного состава и изменяя электропроводность, механическую прочность, оптические и другие физические свойства кристаллических веществ.

Точечные дефекты являются очень малыми во всех трех измерениях, их размеры по всем направлениям не превышают нескольких атомных диаметров — именно по этой причине их называют нульмерными.

Точечные дефекты повышают энергию кристалла, поскольку на образование дефекта была потрачена определенная энергия. Вокруг вакансии или лишнего атома в междоузлии решетка искажена, поэтому такой дефект в первом приближении можно рассматривать как центр сжатия или расширения кристалла.

Поверхностные дефекты решетки металлаДефекты кристаллической решетки: а) вакансия, который является центром сжатия; б) укоренение — центр расширения

Важной особенностью точечных дефектов является их подвижность. Перемещение дефектов связано с преодолением потенциальных барьеров, высота которых определяется природой дефекта, структурой решетки и направлением движения дефекта. Перескоки вакансий приводят к перемещению атомов, то есть к самодиффузии примесных атомов замещения.

Линейные (одномерные) дефекты, или дислокации (смещения) возникают в местах обрыва плоскостей кристаллической решетки (краевые дислокации), при закручивании этих плоскостей (винтовые дислокации), а также при последовательном соединении точечных дефектов (цепочке дислокаций). Дислокации могут перемещаться в теле кристалла, скапливаться на участках крупнейших напряжений, а также выходить на поверхность и нарушать поверхностный слой. Линейные дефекты имеют атомные размеры в двух измерениях и только в третьем их размер сопоставим с длиной кристалла.

Наличие дислокаций и их подвижность вызывают изменение пластичности кристаллов, обусловливают напряжения и могут приводить к полному разрушению структуры.

При краевой дислокации образуется одна «лишняя» атомная полуплоскость, которая называется экстраплоскостью, а ее нижний край — линией дислокации .

Винтовые дислокации возникают при частичном смещении атомных слоев по некоторой плоскости Q, в результате чего нарушается их параллельность.

 Кристалл как бы закручивается винтом в виде полого геликоида вокруг линии ЕF, которая является линией дислокации, своеобразной границы, которая отделяет ту часть скольжения, где сдвиг уже завершился, от части, где он не происходил.

 На поверхности кристалла образуется ступенька, которая проходит через точку Е к краю кристалла. Такое смещение нарушает параллельность атомных слоев и кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную спиралью вокруг линии дислокации.

 Вблизи нее атомы смещаются из своих узлов и кристаллическая решетка нарушается, что вызывает образование поля напряжения: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже — растянута.

Поверхностные дефекты решетки металлаВинтовые дислокации

Поверхностные, или плоские (двумерные) дефекты имеют малые размеры только в одном измерении.

 Они образуются между двумя кристаллическими поверхностями, повернуты и смещены друг относительно друга, или при неправильной упаковке частиц в слое, или на грани укоренившихся другой фазы в виде сети дислокаций. Кроме того, поверхностные дефекты возникают по границам зерен кристалла.

Поверхностные дефекты решетки металлаДвумерные поверхностные дефекты

Объемные (трехмерные) дефекты — это нагромождение вакансий, пустот, пор, каналов внутри кристалла; частицы, которые укоренились в кристалл во время его роста (растворитель, пузырьки газа), зародыши новой кристаллической фазы, возникающие при равновесных условий существования кристалла. Трехмерные дефекты имеют относительно большие размеры во всех трех измерениях. Они представляют собой конгломераты из многих точечных и линейных дефектов, образуется при нарушении режима кристаллизации.

Дефекты любого типа влияют на свойства кристаллов, в частности на механическую прочность.

 Вместе с тем для проведения многих гетерогенных процессов бывает нужно иметь твердое тело с очень развитой внутренней поверхностью вследствие существования сети каналов, пор, трещин, поэтому для получения таких кристаллических веществ используются специальные методы созидания объемных дефектов.

 Регулировка количества дефектов кристаллической решетки позволяет модифицировать химические и физические свойства веществ в желаемом направлении, что, в свою очередь, дает возможность получать новые типы материалов с заранее заданными признаками.

1.5 Дефекты кристаллической решетки

Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают такой строгой периодичностью в расположении атомов, о которой говорилось ранее, т.е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения.

Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные(нульмерные), линейные(одномерные), поверхностные(двухмерные), объемные (трехмерные).

Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам (рис. 1.

4) относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия) аналогично межузельным атомам (примеси внедрения).

Читайте также:  Можно ли просверлить керамическую раковину сверлом по металлу

При переходе атома из равновесного положения (узла) в междоузлие возникает пара вакансия – межузельный атом, которая называется дефектом Френкеля, а если атом из своего узла выходит на поверхность кристалла, то образующийся дефект называется дефектом Шоттки.

Точечные дефекты являются центрами локальных искажений в кристаллической решетке. Однако заметные смещения атомов, окружающих вакансию или межузельный атом, создаются только на расстояниях нескольких атомных диаметров от центра дефекта, и поля упругих напряжений являются близкодействующими, т.е. быстро убывают (с увеличением расстояния).

Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла.

К линейным дефектам относятся дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла.

Различают краевую и винтовую дислокации (рис. 1.5).

Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой.

Если в идеальной решетке провести контур (контур Бюргерса) вокруг любого произвольного места, т.е.

отложить определенное число параметров решетки вокруг этого места, то контур Бюргерса сомкнется.

Поверхностные дефекты решетки металла

Рис. 1.4. Схема точечных дефектов в кристалле:

а – точечный дефект вакансия; б – примесный атом замещения (атом A>B);

 впримесный атом замещения (атом В>А)

В реальной решетке, содержащей дислокации (рис. 1.5, а), контур Бюргерса не сомкнется, т.е. число параметров решетки по разные стороны дислокации будет отличаться на величину ,которая называется вектором Бюргерса. Для краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен линии дислокации (вектору ), а для винтовой параллелен.

Плоскость, проходящая через векторыи ,называется плоскостью скольжения.

Поверхностные дефекты решетки металла

Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации.

Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации (рис. 1.

6), поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения.

Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расплава. Основным механизмом размножения дислокаций при пластической деформации являются так называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокаций, закрепленные на концах, которые под действием напряжения могут прогибаться, испуская при этом дислокации, и вновь восстанавливаться.

Поверхностные дефекты решетки металла

Рис. 1.5. Краевая (а) и линейная (б) дислокации в кристаллической решетке

Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в несколько межатомных расстояний в третьем измерении. К ним относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхности кристалла. Под дефектами упаковки подразумевают локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле.

Поверхностные дефекты решетки металла

Рис. 1.6. Сдвиговая деформация, осуществляемая скольжением краевой дислокации

Одним из видов дефектов являются так называемые двойники. Двойникованием, т.е. образованием двойников, называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки (рис. 1.7, б). Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла.

Обычно деформация двойникованием являются монолитными, совершенными монокристаллами, а состоят из отдельных, так называемых субзерен (блоков), повернутых одно относительно другого на малый угол.

Границы субзерен и зерен в металлах принято разделять на малоугловые (угол разориентировки менее 5°) и большеугловые (угол разориентировки более 5°).

На границах зерен скапливается большое количество дислокаций и вакансий. По границам зерен скапливаются также различные легкоплавкие неметаллические примеси, оксиды, мелкие поры и т.п.

, резко ухудшающие механические свойства мате­риала.

Тугоплавкие включения, наоборот, находятся внутри кристал­лических зерен; они являются центрами кристаллизации, и при этом образуется мелкозернистая структура, что существенно улучшает ме­ханические характеристики мате­риала.

Поверхностные дефекты решетки металла

Рис. 1.7. Деформация скольжением (а) и двойникованием (б)

Объемные (трехмерные) дефекты имеют сравнительно большие размеры во всех трех измерениях. К этому виду дефектов относятся пустоты (поры и трещины), инородные включения (в твердом или жидком состоянии), включения иной кристаллографической моди­фикации или с другим стехиометрическим составом и т.п.

Каждый дефект (вакансия, дислокация) деформирует решетку. Число дефектов с повышением температуры и пластической дефор­мации резко возрастает. Атомные (точечные) дефекты сильно влияют на электрические свойства кристалла. Например, тысячные доли про­цента некоторых примесей увеличивают электропроводность полу­проводников в 105—10б раз.

Поверхностные дефекты решетки металла

Виды дефектов кристаллической решетки

Различают точечные и линейные дефекты. Первые, в свою очередь, могут быть типу Френкеля, Шоттки или примесными.

Дефект Френкеля состоит из одного иона, который смещается из своей нормальной точки решетки, перемещаясь в ближайший промежуток или пространство между атомами решётки. В дефекте Шоттки решётку покидают два иона противоположного знака.

Примесные искажения — это чужеродные атомы, которые замещают некоторые из атомов, которые либо составляют твёрдое тело, либо проталкиваются в пустоты.

Линейные несовершенства или дислокации являются линиями, вдоль которых проходят целые ряды атомов в твердом теле. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные дефекты могут ослаблять или укреплять твёрдые тела, поэтому они даже создаются искусственно методом хонингования.

Изучение искажений кристаллической решётки важно для моделирования электрического поведения полупроводников, материалов, используемых в компьютерных микросхемах и других электронных устройствах, а также для оценки их влияния на механические свойства.

Точечные дефекты (нульмерные)

Точечные дефекты в кристаллах представляют собой искажения решётки с нулевой размерностью, т.е. ни в какой размерности они не обладают структурой решётки.

Поверхностные дефекты решетки металла

Типичные точечные несовершенства подразделяются на три группы:

  • примесные атомы в чистом металле;
  • вакансии;
  • межузельные атомы.

Вакансии получают путём нагревания в концентрациях, достаточно высоких для количественных исследований. Для получения аналогичных концентраций межузельных атомов точечные искажения можно получить, выполняя внешнюю работу с кристаллом.

Такая работа выполняется в атомном масштабе за счет облучения энергоёмкими частицами. Столкновения между посторонними атомами и атомами решётки вызывают смещения последних от мест замещения к местам внедрения. Таким образом, вакансии и междоузлия производятся в равных количествах.

Поскольку одна вакансия и одно междоузлие вместе образуют дефект Френкеля, облучение, по сути, является процессом образования такого дефекта.

Это невыгодно по сравнению с экспериментальным исследованием межузельных свойств, поскольку радиационно-индуцированные изменения свойств кристаллов всегда включают роль вакансий.

При пластической деформации также образуются вакансии и межузельные частицы. Хотя деформация обходится намного дешевле, чем облучение частицами, метод не стал общепринятой процедурой для создания точечных дефектов, поскольку не позволяет производить контролируемое образование искажений независимо от сложных сетей дислокаций.

Аномально высокие концентрации точечных несовершенств встречаются в некоторых нестехиометрических интерметаллических соединениях. Здесь вакансии и внедрения уже играют роль дополнительных легирующих элементов и имеют в этом смысле термодинамическое значение.

Другие методы получения точечных дефектов — быстрая закалка, испарение на холодных подложках или лазерный отжиг — зависят от термически активированного производства.

В чистых металлах и в большинстве сплавов вакансии обеспечивают термически активированный перенос атомов и, следовательно, свойства вакансий напрямую влияют на перенос атомов. Свойства вакансии дают информацию о межатомных силах с помощью особых возмущений, которые зависят от вакантного узла решётки.

Линейные (одномерные)

Дефекты кристаллического строения металлов могут проявляться в форме линейных дефектов или дислокаций. Дислокации — это линии, вдоль которых аномально расположены целые ряды атомов твёрдого тела. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные искажения могут ослаблять или упрочнять твердые тела.

Читайте также:  Применение стального профильного уголка, советы по выбору изделий, требования к их качеству

Поверхностные дефекты решетки металла

Поверхностные (или одномерные) дефекты могут возникать на границе между двумя зёрнами или небольшими кристаллами внутри кристалла большего размера.

Ряды атомов в двух разных зёрнах могут проходить в отличающихся направлениях, что приводит к несоответствию на границе зерна.

Внешняя поверхность кристалла фактически также является дефектом, потому что атомы вынуждены корректировать свое положение, чтобы приспособиться к отсутствию соседних атомов вне поверхности.

Линейные несовершенства, или, точнее, краевые дислокации, возникают тогда, когда последний слой остается незавершённым, так что в слоях, которые располагаются выше и ниже него, образуется своего рода ступенька.

Поскольку длина линейных дефектов в определённом объёме стали или сплава может составлять в сумме один световой год, это открытие должно иметь большое практическое значение, поскольку структура стали зависит, среди прочего, от того, насколько она ковкая, жёсткая и пластичная.

— свойства, которые материаловеды хотят постоянно оптимизировать.

Поверхностные (двухмерные)

Основная часть исследований в области химии поверхности связана с механизмами реакций на поверхности и идентификацией адсорбированных и реагирующих частиц.

Поверхностные дефекты решетки металла

Однако небольшое количество исследователей интересуются влиянием поверхности на возникновение и развитие дефектов. Структура поверхности на атомарном уровне может определять свойства материала.

Известно, что несовершенства структуры кристаллов, являясь активными центрами, контролируют многие механические и химические свойства твёрдых тел. С увеличением общего количества поверхностных дефектов растёт число атомов с различным числом разорванных связей.

Двухмерные искажения подразделяются на три группы:

  1. Возникающие на границах зёрен.

  2. Дефекты упаковки.

  3. Границы зон двойникования.

Все поверхностные структуры получаются в результате различной ориентации смежных кристаллических решёток.

Объемные (трехмерные)

Междуузельные соединения являются наиболее распространенным представителем объёмных дефектов.

Поверхностные дефекты решетки металла

Трёхмерные искажения решётки образуются из-за большого возмущения её размеров. Следствием такого возмущения являются изменения, которые связаны с динамическими и статическими свойствами материалов.

Объёмные несовершенства играют ключевую роль в развитии типичных структур повреждений, которые определяют не только микроструктуру, но и микрохимию сплавов.

Поверхностные дефекты

Эти дефекты являются двумерными, и их размер мал только в одном измерении. Другими словами, они имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. К поверхностным дефектам относят границы зерен и субзерен, а точнее, поверхности раздела между ними, а также дефекты упаковки атомов.

В реальном поликристаллическом металле содержится большое количество зерен (мелких кристаллов). В каждом зерне кристаллографические плоскости ориентированы различно. Вместе с тем каждое зерно состоит из отдельных субзерен, или блоков.

Если средний размер зерна стали составляет примерно 50—100 мкм, то средний размер субзерна — 1 — 10 мкм. На границе зерен имеется переходный слой, в котором нарушена правильность расположения атомов, образуется скопление дислокаций, содержится повышенная концентрация примесей.

Кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы а в десятки градусов. Поэтому такие

Рис. 1.9. Схемы большеугловых (а) и малоугловых (б) границ

границы между зернами называют большеугловыми (рис. 1.9, а). В субзернах границами являются стенки дислокаций. Разориента- ция соседних субзерен — не более 5°. В связи с этим границы субзерен называют малоугловыми (рис. 1.9, б).

Дефект упаковки представляет собой нарушение закономерности расположения плотноупакованных слоев атомов.

Плотноупа- кованный слой атомов можно представить в виде жестких шаров одинакового радиуса, плотно прилегающих друг к другу и образующих одну атомную плоскость.

В этом случае вокруг каждого атома должно располагаться шесть атомов, центры которых образуют вершины правильного шестиугольника (рис. 1.10). Если рассматривать, например, ГЦК-решетку, то в ней плотноупакованные пло-

Рис. 1.10. Плотная упаковка шаров на плоскости

Рис. 1.11. Дефекты упаковки:

а — типа вычитания; б — типа внедрения

скости (111) расположены так, что первый и четвертый слои повторяют друг друга. Но если будет повторяться каждый третий слой, то это приведет к образованию дефекта упаковки.

Дефекты упаковки могут возникать за счет сдвига в плоскости плотной упаковки, а также путем изъятия или внедрения одной плотиоупакованной плоскости. В первом случае дефект упаковки относят к типу вычитания (рис. 1.11, а), а во втором — к типу внедрения (рис. 1.11,6).

При наличии дефекта упаковки образуется избыток энергии, которую относят к единице площади и называют энергией дефекта упаковки.

4.3 Поверхностные дефекты кристаллической решетки

  • К поверхностным
    дефектам решетки относятся дефекты
    упаковки и границы зерен.
  • Для понимания
    природы появления дефектов упаковки
    обратимся к геометрии заполнения
    кристаллической решетки в плотноупакованных
    материалах.

Рис. 16. Плотноупакованная плоскость

Предположим, что атомы
представляют собой шары; тогда
плотноупакованную плоскость можно
создать, расположив атомы, как показано
на рисунке 16.

Обозначим первый
слой атомов буквой А. Для создания
следующей плотно упакованной плоскости
необходимо поместить атомы во впадины
между атомами первого слоя. Как видно
из рисунка 16, имеются два вида впадин:
впадины типа В и впадины типа С.

Очевидно,
что одновременно во впадины обоих типов
атомы расположить невозможно. Предположим,
что второй слой атомов расположен во
впадинах типа В, обозначим этот слой
атомов В.

Третий слой атомов можно
расположить либо во впадины, совпадающие
с центрами атомов первого слоя, либо во
впадины второго типа не совпадающие с
атомами первого слоя. В первом случае
получается чередование слоев:

АВАВАВАВАВАВАВАВАВ…,

Во втором случае
чередование слоев типа:

АВСАВСАВСАВСАВСАВС…,

  1. При чередование
    слоев типа АВАВАВ получается
    гексагональная плотноупакованной
    решетка, при чередование слоев типаАВСАВСАВС –гранецентрированная
    кубическая решетка. При нарушении
    чередования слоев внутри одной решетки
    появляется прослойка другой решетки:
  2. АВСАВСАВСАВАВСАВСАВС.
  3. При этом
    кристаллическая решетка искажается, и
    ее энергия возрастает.

Появление дефектов
упаковки связано с движением частичных
дислокаций.

Как отмечалось выше, при
появлении дислокаций кристаллическая
решетка искажается, и энергия системы
возрастает на величину, пропорциональную
квадрату вектора Бюргерса Е ~êbê2.

Поэтому дислокации могут расщепляться
на две частичные дислокации,b®b/2
+b/2. Это ведет к снижению энергии
упругих искажений решетки вокруг
дислокаций:

êb/2ê2
+ êb/2ê2
< êbê2.

При движении
обычной полной дислокации атомы
последовательно становятся из одного
равновесного положения в другое, а при
движении частичной дислокации атомы
переходят в новые положения, нетипичные
для данной кристаллической решетки. В
результате в материале появляется
дефект упаковки.

Рис.17. Вектор Бюргерса полной (b) и частичных

(b1, b2) дислокаций

Рис.18. Изменение потенциальной энергии при перемещении атомов из положения В в С.

Данная ситуация иллюстрируется
рисунком 17. Как видно из рисунка, при
движении полной решеточной дислокации
с вектором Бюргерса bатомы перемещаются
из одних равновесных положений в другие
(например, из положенияВв положениеВ). При этом кристаллическая решетка
вдали от дислокации остается правильной.

При расщеплении полной дислокации на
две частичные движение частичных
дислокаций приводит к образованию
дефекта упаковки. При этом энергия
атомов, смещенных в положение С, повышается
(Рис.18.

)

В том случае, когда
энергия дефекта упаковки велика,
расщепление дислокации на частичные
энергетически невыгодно, а в том случае,
когда энергия дефекта упаковки мала,
дислокации расщепляются на частичные,
и между ними появляется дефект упаковки.

Можно строго доказать, что движение
пары частичных дислокаций с дефектом
упаковки между ними осуществляется
сложнее, чем движение полной дислокации.
Поэтому материалы с низкой энергией
дефекта упаковки прочнее материалов с
высокой энергией дефекта упаковки.

Другим видом
поверхностных дефектов являются границы
зерен. Они представляющие собой узкую
переходную область между двумя
кристаллами, с разной ориентацией
атомных плоскостей. Ширина границ зерен
небольшая и составляет несколько
межатомных расстояния. Поскольку на
границах зерен атомы смещены из
равновесного положения, то энергия
границ зерен повышена.

Энергия границ
зерен существенно зависит от угла
разориентации кристаллических решеток
соседних зерен. При малых углах
разориентации (до 5°)
энергия границ зерен практически
пропорциональна углу разориентировки.
Такие границы называют малоугловыми.
Строение малоугловых границ можно
представить как стенку или сетку
решеточных дислокаций (Рис.19.).

Читайте также:  Все металлы плохо проводят тепло да или нет

Увеличение плотности
дислокаций в малоугловых границах ведет
к увеличению угла разориентировки (q)
на границе. Если расстояние между
дислокациями d,
тогда можно найти угол разориентировки
по формуле:

q
= 2 arctg(b/2d), или q
»
b/d (рис.19).

Участки кристалла,
разделенные малоугловыми границами,
принято называть субзернами. Если
граница субзерен представляет собой
сетку краевых дислокаций, то такую
границу называют границей наклона, а
если граница субзерен является скоплением
винтовых дислокаций, то субграницу
называют границей кручения. В общем
случае, субграница может содержать
компоненты кручения и наклона.

При углах разориентировки,
превышающих 5°,
плотность дислокаций на границах зерен
становится столь высокой, что ядра
дислокаций сливаются, и дальнейшее
описание границ при помощи решеточных
дислокаций становится невозможным.
Такие границы называют большеугловыми
границами. Участки материала, отделенные
большеугловыми границами, называют
зернами или кристаллитами. Тело, состоящее
из множества кристаллитов, разделенных
большеугловыми границами, является
поликристаллом. Основная масса
промышленных материалов является
поликристаллическими.

Энергия большеугловых
границ немонотонно зависит от угла
разориентировки (рис. 20).

П

Рис. 20. Зависимость энергии границ зерен (Егр) от угла разориентации (). сп1 и сп2 – углы разориентации специальных границ.

ри определенных углах разориентации
соседних зерен энергия границ зерен
резко снижается. Такие границы зерен
называются специальными.

Соответственно
углы разориентации границ, при которых
энергия границ минимальна, называют
специальными углами.

По современным
представлениям, специальные границы
соответствуют высокой плотности
совпадающих узлов кристаллических
решеток соседних атомов (рис. 21).

Рис. 21. Схема атомного строения случайных (а) и специальных (б) границ.

Специальные границы
обозначают символом Sn,
где n показывает, на сколько узлов решетки
приходится совпадающий узел. Например,S7
означает, что каждый седьмой атом на
границе зерен совпадает для кристаллических
решеток обоих зерен. Границы зерен, углы
разориентации которых отличаются от
специальных, называют произвольными
или случайными.

Поскольку на
границах зерен атомы смещены из
равновесных положений, энергия границ
зерен повышена. В том случае, когда узлы
кристаллической решетки одного зерна
совпадают с узлами решетки другого
зерна (случай специальной границы)
энергия упругих искажений снижается.

При отклонении
угла разориентации от специальных углов
плотность совпадающих узлов падает, а
энергия границы возрастает. При небольших
отклонениях от специальных углов энергия
границ зерен приблизительно линейно
возрастает. Для объяснения этого факта
проведем следующее рассмотрение.

Если
соединить совпадающие узлы соседних
зерен, то получится решетка узлов
совпадения. Тогда, вводя в решетку узлов
совпадения зернограничные дислокации,
мы изменяем, угол разориентации аналогично
тому, как скопления решеточных дислокаций
увеличивают разориентацию соседних
субзерен.

Чем больше угол отклонения
от специальной границы, тем больше
плотность зернограничных дислокаций,
соответственно, тем больше энергия
границы.

Зернограничные
дислокации не только экспериментально
обнаружены методом просвечивающей
электронной микроскопии, но и позволяют
объяснять поведение материалов при
различных условиях.

Так, результаты
последних исследований свидетельствуют
о том, что решеточные дислокации, входя
в границы зерен, разбиваются на несколько
зернограничных дислокаций с малыми
векторами Бюргерса.

В свою очередь,
несколько зернограничных дислокаций
могут сливаться, образуя решеточную
дислокацию. Поэтому границы зерен
являются источниками и стоками решеточных
дислокаций.

Поскольку границы зерен,
как правило, извилистые, то движение
зернограничных дислокаций путем
скольжения невозможно. При переползании
зернограничных дислокаций происходит
поглощение или выделение вакансий.

При деформации
материалов при низких температурах
решеточные дислокации входят в границы
зерен и расщепляются на зернограничные
дислокации.

Поскольку подвижность
вакансий при низких температурах мала,
то зернограничные дислокации не могут
переползать в границах на значительные
расстояния и скопления зернограничных
дислокаций препятствуют вхождению в
границы новых решеточных дислокаций.
Иначе говоря, при низких температурах
граница зерен являются, в основном,
барьерами для решеточных дислокаций.

Поэтому прочность материалов при низких
температурах высока. При измельчении
зерен количество препятствий для
решеточных дислокаций увеличивается,
и мелкозернистые материалы более прочны,
чем крупнозернистые, при низких
температурах.

При высоких
температурах подвижность вакансий
велика, и зернограничные дислокации,
образующиеся при вхождении в границы
зерен решеточных дислокаций, легко
перемещаются вдоль границ зерен. Поэтому
границы зерен в основном являются
стоками для решеточных дислокаций.

Следовательно, накопления решеточных
дислокаций у границ зерен не происходит,
и прочность материалов при высоких
температурах снижается. Чем мельче
зерна, тем больше суммарная протяженность
границ зерен и меньше плотность решеточных
дислокаций.

Поэтому при высоких
температурах мелкозернистые материалы
имеют меньшую прочность, чем крупнозернистые.

Кроме того,
измельчение зерен ведет к росту удельного
электрического сопротивления металлических
материалов и падению удельного
электрического сопротивления диэлектриков
и полупроводников.

Поверхностные и объемные дефекты кристаллического строения

Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. К ним относятся границы зерен, субзерен, двойников, дефекты упаковки, границы доменов, поверхность раздела фаз и т.д. В поликристаллическом материале существуют внутренние поверхности, разделяющие кристаллиты или зерна, имеющие несовпадающую кристаллографическую ориентировку.

Угол разориен-тировки до 5°…10° характерен для субзеренной структуры, а границы между субзернами внутри одного зерна, состоящие из дислокационных стенок, называют малоугловыми. Угол разориентировки между зернами более 10е. Границы зерен называют высокоугловыми.

Субзеренные границы могут возникать при некоторых режимах деформации металлов с высокой энергией дефектов упаковки, нагреве предварительно холоднодеформи-рованного металла, а также в результате термомеханической обработки. Образование субзерен существенным образом влияет на механические свойства.

Ширина границы зерен (субзерен) приближается к атомным размерам (порядка 1—3 атомных диаметров).

Для границы характерны большие промежутки между атомами (повышенная рыхлость). Это является причиной более быстрой диффузии по границам зерен, а также объясняет их высокую подвижность. Атомы на границах зерен находятся в неравновесном состоянии и склонны вступать в химические реакции. Этим объясняется повышенная травимость границ зерен.

Объемные дефекты

Объемные дефекты представляют нарушение сплошности материала, существующие в виде пор и трещин. Нарушением сплошности является дефект или полость в кристалле, наименьший размер которого превышает радиус действия межатомных сил сцепления, следовательно, больше 2—3 межатомных расстояний.

Противоположные берега полости можно рассматривать в качестве свободных поверхностей. По масштабу объемные дефекты могут быть субмикро-, микро- и макроскопическими.

Субмикродефекты измеряются в нанометрах, их практически невозможно непосредственно наблюдать, а об их присутствии судят косвенным образом путем измерения чувствительной физической характеристики: плотность, электропроводность и т. п.

Микродефекты наблюдают с помощью световой микроскопии (увеличение 100—1000 раз), а размер их соизмерим с размером зерна или субзерна. Макроскопические несплошности — это трехмерные полости размером более 1 мм, и их наблюдают визуально или с помощью рентгеновской или магнитной дефектоскопии.

Классификацию дефектов осуществляют и по другим признакам: структурным (трещины, поры, неметаллические включения, разнозернистость и др.

); технологическим (механические, деформационные, термические, диффузионные, коррозионные, радиационные, адсорбционные, эррозионные, кавита-ционные, литейные, сварочные и др.)

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector