Несовершенства строения реальных кристаллов

19. Несовершенства строения реальных кристаллов(вакансии,дислокации) и их влияние на свойства металлов.

Технические металлы состоят из большого количества кристаллов (зерен), т.е. являются поликристаллическими. Кристаллы в поликристаллическом металле не имеют правильной формы и идеально правильного расположения атомов. В них встречаются различного рода несовершенства кристаллического строения, которые оказывают большое влияние на свойства. Увеличение количества дефектов кристаллического строения способствует повышению прочности реальных кристаллов.

Различают следующие несовершенства кристаллического строения – точечные, линейные и  поверхностные.

Точечные несовершенства малы во всех трех измерениях. К ним относят вакансии, междоузельные (дислоцированные) атомы (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема точечных несовершенств кристалла:

а – междоузельный (дислоцированный) атом, б – вакансия  

Образование точечных несовершенств связано с диффузионным перемещением атомов под действием тепловых колебаний.

Процесс диффузии в кристаллическом теле возрастает с увеличением температуры. Под влиянием тепловых колебаний отдельные атомы с повышенной кинетической энергией покидают свои места в узлах решетки и выходят в междоузлия решетки или на поверхность металла. Атом, вышедший из равновесного положения в междоузлие, называют дислоцированным или междоузельным, а образовавшееся в узле решетки свободное место – «дыркой» или вакансией. С повышением температуры металла число вакансий растет.

Точечные  дефекты оказывают значительное влияние на некоторые физические свойства металлов (электропроводность, магнитные свойства и т.д.) и на фазовые превращения в металлах и сплавах.

Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Различают краевые, винтовые и смешанные дислокации.

Рисунок 2 – Схема краевой дислокации в кристаллической решетке  

На  рисунке 2 показана краевая дислокация, представляющая собой местное искажение кристаллической решетки, причиной которой явилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость. Для краевой дислокации характерно, что направление движения перпендикулярно линии дислокации.

Дислокации  образуются в процессе кристаллизации, но главным образом при деформации металла. Дислокации в металле распределены неравномерно. Плотность дислокаций на границах зерен выше, чем в самих зернах.

Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м², или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м³:

(см^-2; м^-2)

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рисунок 3).

Рисунок 3 – Влияние плотности дислокаций на прочность   

Поверхностные, или плоские, несовершенства малы только в одном измерении и велики в двух в двух других измерениях. К ним относятся границы зерен (кристаллитов) и блоков мозаики (субзерен).

Зерна металла разориентированы относительно друг от друга на величину от нескольких долей градуса (малоугловые границы) до нескольких градусов или нескольких десятков градусов (высокоугловые границы).

Граница между отдельными зернами представляет собой тонкую переходную зону (5-10 атомных  диаметров) с максимальным нарушением порядка в расположении атомов (рисунок 4).

Рисунок 4 – Модель размещения атомов в объеме и на границе зерна  

Это нарушение усугубляется концентрацией  на этих участках различного рода посторонних примесей. Зерна металлов не являются однородными и состоят из мозаики однородных блоков (субзерен) размерами 10^-5-10^-3 см. Блоки повернуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут. В пределах каждого блока решетка почти идеальна, если не принимать во внимание точечные дефекты. Атомы, расположенные на границах зерен, обладают повышенной энергией вследствие нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия. Это обстоятельство приводит к тому, что многие процессы развиваются или осуществляются на границах зерен и субзерен.

С увеличением угла разориентации субзерен и уменьшением их величины плотность дислокаций в металле повышается, соответствующим образом изменяются и свойства (рисунок 3). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Высокочастотные магнитные материалы и требования, предъявляемые к ним.