Дефекты кристаллического строения

   Дефекты кристаллического строения:  вакансии  и дислокации.  Влияние на

   превращения и свойства.

   Эффект  вакансия – точечный дефект, вызывает искажение. Диффузия  ускоряется.

   Дислокация  – линейный дефект (много вакансий в  ряд):  эффект  имеет  длину,

   определяет  высокую пластичность материала. 

   6. Дефекты  кристаллического строения. Кристалл  зерно.

   Дефекты: точечные, линейные, поверхностные, объёмные.  Точечные:  внедрение,

   вакансия,  вызывают  искажения.  Линейные:  дислокации,  определяют  высокую

   пластичность  материала, эффект имеет длину.  Поверхностные:  границы зёрен,

   резко повышают пластичность и снижают  прочность материала. Объёмные –  порог

   в металле, дефекты имеют объём. Зерно –  кристалл неправильной формы. 
 
 

   Хрупкость мартенсита связана с образованием атмосфер из атомов углерода на дефектах строения.

   Охлаждение  при закалке должно обеспечить получение  структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и  не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких  растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

   Высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко  приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры  воды резко ухудшается ее закалочная способность.

   Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, и постоянство закаливающей способности.

   Дефекты, возникающие при термической  обработке стали

   К основным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали, относятся.

   Трещины - неустранимый дефект.

   Повышенная  хрупкость - дефект закалки от слишком  высоких температур (более высоких  чем требуется), при которых произошел  значительный рост зерен аустенита.

   Дефект  обнаруживается механическими испытаниями по излому.

   Дефекты кристаллического строения подразделяются по геометрическим признакам на поверхностные, точечные и линейные.

   Поверхностные дефекты представляют собой поверхности  раздела между отдельными зернами  или субзернами в поликристаллическом металле; к ним относятся также дефекты упаковки.

   Источники поверхностных дефектов: а - границы  зерен поликристаллического строения металлов; б - участки разориентированной структуры зерна - блоки мозаики

   В кристаллических  решетках реальных металлов существуют дефекты, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

   К ним  относятся точечные и линейные дефекты.

   Точечные  дефекты малы в трех измерениях и  размерами приближаются к точке.

   Виды  этих дефектов приведены на рис.

   Одним из распространенных дефектов является вакансия, т.

   место не занятое атомом (дефект Шотгки).

   Виды  точечных дефектов: а - вакансия; б - замещенный атом; в - внедренный атом

   Другими точечными дефектами являются дислоцированные  атомы (дефект Френкеля), т.

   Концентрация  таких дефектов невелика, т.

   Вокруг  точечных дефектов нарушается правильность кристаллического строения, силовое  поле атомов во всех направлениях.

   Линейные  дефекты малы в.

   К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и дислокации.

   Ее  край 1-1 создает линейный дефект решетки, который называется краевой дислокацией.

   Дислокации  наряду с другими дефектами участвуют  в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении  второй фазы из твердого раствора.

   Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько  порядков выше, чем через кристаллическую  решетку без дефектов.

   Все перечисленные  дефекты кристаллического строения приводят к появлению внутренних напряжений.

   Внутренние  напряжения III рода - возникают внутри объема порядка нескольких элементарных ячеек; главным источником являются точечные дефекты.

   Аморфный  металл обладает рядом уникальных свойств  из-за отсутствия границ зерен и  дефектов кристаллического строения (например, дислокаций).

   Поверхностные дефекты кристаллического строения.

   Дефекты, возникающие при термической  обработке стали.

   При определенном количестве дефектов металл имеет минимальную  прочность (точка 1).

   С уменьшением  количества дефектов прочность возрастает.

   С увеличением  количества дефектов (правее точки 1) прочность металлов возрастает Возникающие в различных плоскостях инаправленияхдис-локации будут мешать друг другу перемещаться, что потребует приложения больших напряжений.

   В области  возврата (при нагреве до 0,3 Тт) происходит повышение структурного совершенства металла в результате уменьшения плотности дефектов строения.

   При низких температурах (ниже 0,2 Т1Ш) протекает  первая стадия возврата - отдых, когда  происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций без образования субграниц.

   Он  является неисправным дефектом стали. 

   1.3. Какую  роль играют несовершенства структуры  кристаллов. Какую роль 
играют дислокации в вопросах прочности и пластичности материала. 
Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в 
поликристаллах, никогда не обладают строгой периодичностью в расположении 
атомов 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 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) 
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. Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной 
плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг 
одной части кристалла относительно другой. 
В кристаллах встречаются и так называемые смешанные дислокации. 
Дислокации не могут обрываться внутри кристалла — они должны быть либо 
замкнутыми, либо выходить на поверхность кристалла. Плотность дислокации, 
т. е. число линий дислокации, пересекающих внутри металла площадку в 1 см2, 
составляет 103—104 в наиболее совершенных монокристаллах до 1012 в сильно 
деформированных металлах Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля 
упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально расстоянию от них. 
Наличие упругих напряжений вокруг дислокации приводит к их взаимодействию, 
которое зависит от типа дислокации и их векторов Бюргерса. 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, 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 расgлава. Основным 
механизмом размножения дислокации при пластической деформации являются так 
называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокации, закрепленные на 
концах, которые под действием напряжений могут прогибатся ,испуская при 
этом дислокации,и вновь востанавливатся. 
Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокации 
друг с другом, с атомами примесей и частицами другой фазы. Дислокации 
влияют не только на прочностные и пластические свойства металлов, но также 
и на их физические свойства (увеличивают электросопротивление, скорость 
диффузии и т.д.). 
Процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше 
дислокации будет в металле. В металле, в котором нет дислокации, сдвиг 
возможен только за счет одновременного смещения всей части кристалла. В 
случае, если под действием напряжений дислокации не зарождаются, то 
прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической. 
Существует и другой способ упрочнения металлов. Оказывается, что 
реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокации только 
вначале. Достигнув минимального значения при некоторой плотности 
дислокации, реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение 
реальной прочности с возрастанием плотности дислокации объясняется тем, что 
при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и 
дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут 
мешать друг другу перемещаться, и реальная 
прочность металла повысится. 
Давно известны способы упрочнения, ведущие к увеличению полезной 
плотности дислокации; это — механический наклеп, измельчение зерна и блоков 
мозаики, термическая обработка и т. д. Кроме того, известные методы 
легирования (т. е. внедрение в решетку чужеродных атомов), создающие 
всякого рода несовершенства и искажения, кристаллической решетки, также 
являются методами создания - препятствий для свободного перемещения 
дислокации (блокирования дислокаций).Сюда же относятся способы образования 
структур с так называемыми упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное 
твердение и др. Однако при всех этих способах упрочнения прочность не 
достигает теоретического значения. Следовательно, в той или иной степени 
наличие дислокации в реальном металлическом кристалле | является причиной 
более низкой его прочности по сравнению с теоретической, и одновременно 
придающей способность пластически деформироваться. Можно ли в связи с этим 
рассматривать способность металла к пластическому деформированию как его 
недостаток? 
Опыт показывает, что способность реального металла пластически 
деформироваться является его важнейшим и полезнейшим свойством. Это 
свойство используют при различных технологических процессах — при протяжке 
проволоки, операциях гибки, высадки, вытяжки, штамповки и т. д. Большое 
значение оно имеет и для обеспечения конструктивной прочности или 
надежности металлических конструкций, деталей машин и других изделий из 
металла. Опыт показывает. что если металл находится в хрупком состоянии, т. 
е. если его способность к пластическому деформированию низка, то он в 
изделиях склонен к внезапным так называемым хрупким разрушениям, которые 
часто происходят даже при пониженных нагрузках на изделие. 
 
 

   кванты  передают определённую часть своей  энергии электронам 
кристаллической решётки. Свободная энергия металлической системы 
повышается, и при этом понижается энергия активации процессов, связанных 
с перемещением атомов и дефектов. В результате увеличения подвижности 
атомов и дефектов, а также в зависимости от физических и атомных 
параметров вещества и некоторых внешних факторов, может образоваться 
многообразие наблюдаемых методами электронной микроскопии радиационных 
дефектов: ассоциации вакансий и междоузельных атомов; дискообразные 
скопления точечных дефектов, захлопывающихся в определённых условиях в 
петли дислокаций, и многие 
другие дефекты. 
 
Увеличению подвижности точечных дефектов и атомов может способствовать и 
перераспределение относительной плотности свободных и локализованных 
электронов в микрообластях кристалла, возникающие как в результате 
образования радиационных дефектов, так и вследствие возникновения 
динамической дополнительной подвижности элементов системы. Как 
свидетельствуют опыты, значительно увеличивается подвижность атомов в 
зонах радиационных повреждений, создаваемых быстрыми заряженными 
частицами, осколками деления, либо ионизированными смещёнными атомами. 
 
Динамика образования определённого сложного радиационного дефекта 
зависит от параметров подвижности атомов и дефектов в металлическом 
твёрдом теле в процессе облучения. Немаловажное значение в увеличении 
подвижности дефектов, вероятно, играет и наведённое излучением 
электронное возбуждение, так как в области низких температур 
термодинамика предсказывает чрезвычайно низкие диффузионные 
характеристики атомов и дефектов, в то время как при облучении даже в 
области низких температур иногда наблюдаются ассоциации дефектов, 
которые могут образоваться только в результате диффузионного перемещения 
атомов либо дефектов. 
 
При достаточно высокой температуре, дефекты претерпевают ряд 
превращений: взаимно уничтожаются; часть дефектов может выходить на 
поверхность металла или границы зёрен. Если дефекты адсорбируются 
дислокацией, то это приводит к закреплению последних. Если поглощённых 
дефектов много, они перемещаются вдоль линии дислокации и, собираясь 
вместе, образуют зубцы, тормозящие движение дислокаций. В результате 
поглощения дефектов дислокация закрепляется, упрочняется материал. 
 
Точечные дефекты могут не только адсорбироваться дислокациями, но и 
объединяться, образуя дивакансии, тройные вакансии и комплексы вакансий. 
На дальних расстояниях вакансии не взаимодействуют, но при встрече они 
могут объединяться в прочный комплекс (его образование происходит с 
понижением энергии всей системы). Образованные поливакансии испытывают 
рост. Отдельные вакансии, непосредственно сливаясь в плоскости слоя или 
образуя сначала сферические полости, которые в дальнейшем сплющиваются, 
переходят в своеобразные кольцевые дислокации. Кольцевая дислокация 
может поворачиваться, подвижность её ограничена и носит диффузионный 
характер (дислокация может расти и уменьшаться в результате механизма 
переползания). Существенно важно, что кольцевая дислокация препятствует 
движению дислокаций обычного типа – краевых и винтовых. Появление 
кольцевых дислокаций упрочняет металл. Такие кольцевые дислокации 
действительно наблюдаются с помощью электронного микроскопа. 
 
 

Дефекты в кристаллах (от лат. defectus — недостаток, изъян), нарушения периодичности кристаллической структуры в реальных монокристаллах. В идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые положения, образуя правильные трёхмерные решётки (кристаллические решётки). В реальных кристаллах (природных и искусственно выращенных) наблюдаются обычно различные отступления от правильного расположения атомов или ионов (или их групп). Такие нарушения могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопических размеров, заметные даже невооружённым глазом (см. Дефекты металлов). Помимо статических дефектов, существуют отклонения от идеальной решётки другого рода, связанные с тепловыми колебаниями частиц, составляющих решётку (динамические дефекты, см. Колебания кристаллической решётки). 

 Д. в к.  образуются в процессе их роста  (см. Кристаллизация), под влиянием тепловых, механических и электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым излучением (радиационные дефекты) и т.п.  

 Различают  точечные дефекты (нульмерные), линейные (одномерные), дефекты, образующие в кристалле поверхности (двумерные), и объёмные дефекты (трёхмерные). У одномерного дефекта в одном направлении размер значительно больше, чем расстояние между соседними одноимёнными атомами (параметр решётки), а в двух других направлениях — того же порядка. У двумерного дефекта в двух направлениях размеры больше, чем расстояние между ближайшими атомами, и т.д. 

 Точечные  дефекты. Часть атомов или ионов  может отсутствовать на местах, соответствующих идеальной схеме  решётки. Такие дефектные места называются вакансиями. В кристаллах могут присутствовать чужеродные (примесные) атомы или ионы, замещая основные частицы, образующие кристалл, или внедряясь между ними. Точечными Д. в к. являются также собственные атомы или ионы, сместившиеся из нормальных положений (межузельные атомы и ионы), а также центры окраски — комбинации вакансий с электронами проводимости (F-центры), с примесными атомами и электронами проводимости (Z-центры) либо с дырками (V-центры). Центры окраски могут быть вызваны облучением кристаллов.