Глава 3. Дефекты кристаллов

В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты (рис.3.1), которые подразделяют на:

• точечные (размеры близки к межатомному расстоянию);
• линейные (длина на несколько порядков больше ширины);
• поверхностные (толщина мала, а ширина и длина больше ее на несколько порядков);
• - объемные (поры, трещины, имеют значительные размеры по всем трем направлениям).

Рис.3.1. Дефекты строения кристаллической решетки:

1 – вакансия, 2 – межузельные атомы, 3 – замещенный примесный атом, 4 – внедренный примесный атом, 5 – краевая дислокация, 6 – малоугловая граница, 7 – моноатомный слой примесных атомов, 8 – большеугловая граница

Дефекты сохраняют подвижность, способны перемещаться в кристаллической решетке и при сближении взаимодействуют между собой. Подвижность дефектов контролируется диффузией (в большинстве случаев). Передвижение дислокаций (линейных дефектов) не связано с массопереносом, дислокации подвижны и при низких температурах, когда диффузия уже не играет никакой роли.

Точечные дефекты

К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис.3.2).

Вакансия - пустой узел кристаллической решетки.

Межузельный атом- атом, перемещенный из узла в позицию между узлами.

Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов.

Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучение нейтронами.

С течением времени избыток вакансий сверх равновесной концентрацией уничтожается на свободных поверхностях кристалла, границах зерен и других дефектов решетки. Места, где исчезают вакансии, называется стоками вакансий.

Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и в определенной мере влияют на физические свойства. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют.

а б в

Рис. 3.2. Точечные дефекты кристаллической решетки: а – межузельный атом внедрения; б – примесный атом в узле кристаллической решетки; в - вакансия

3.2. Линейные дефекты

Важнейшие виды линейных несовершенств - краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишний» полуплоскости в решетке (рис. 3.3). Винтовая дислокация образована неполным сдвигом кристалла по плоскости Q (рис. 3.4). При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. Вокруг дислокаций решетка упруга искажена.

Рис. 3.3. Краевая дислокация

Рис. 3.4. Винтовая дислокация

Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Вектор, который нужен для замыкания контура в кристалле (внутри которого расположена дислокация) называется вектором Бюргерса (рис.3.5).

Рис. 3.5. Вектор Бюргерса

Плотность дислокаций – суммарная величина всех линий дислокаций в единице объема, выраженная в см на см³ (см^-2). В полупроводниковых металлах она равна

10⁴- 10⁵ см^-2, у отожженных металлов – 10⁶- 10⁸ см^-2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 10¹¹–10¹² см^-2. Попытка увеличить плотность дислокаций выше 10¹² см^-2 быстро ведет к разрушению металла.

Дислокации значительно влияют на свойства материалов, наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях.

Вдоль дислокаций выше скорость диффузии. Они служат местом концентрации примесных атомов, особенно примесей внедрения, т. к. это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы вокруг дислокаций образуют зону повышенной концентрации - атмосферу Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Поверхностные дефекты

Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.

Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно и границы между зернами представляют собой переходный слой шириной 1—5 нм (рис. 3.6 а). В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, т. к. соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов (рис. 3.6 б).

а

б

Рис. 3.6. Большеугловые границы

Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен (рис.3.7). Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы- стенки дислокаций, которые разделяют зерно на субзерна. Угол между соседними зернами невелик, поэтому такие границы называют малоугловыми. Здесь также накапливаются примеси.

а б

Рис.3.7. Зерно разделенное на субзерна имеющимися дислокациями (а)

и схема малоугловой границы (б)

Дефекты упаковкипредставляют собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев. Это как бы тонкая пластинка другой решетки (например, ГП в ГЦК - решетке).

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Чем мельче зерно, тем выше придел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения.

Вдоль границ зерен и субзерен быстро протекает диффузия (во много раз быстрее, чем сквозь кристалл), особенно при нагреве. Взаимодействие между дефектами, перемещение их в кристаллах, изменение концентрации дефектов - все это отражается на свойствах и имеет большое практическое значение.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое точечные дефекты?

2. Что такое дислокации?

3. Какие дефекты относятся к поверхностным?

4. Объясните пожалуйста, почему скопления примесных атомов вокруг дислокаций мешают их дальнейшему передвижению?

5. Почему дефекты упрочняют металл?

6. Как вы понимаете предложение: «…со временем происходит снижение концентрации дефектов за счет их взаимного уничтожения».

7. Как вы понимаете предложение: « Подвижность дефектов контролируется диффузией. Но передвижение дислокаций не связано с массопереносом».

Глава 4. Свойства материалов.

Критерии выбора материала

Свойства - количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.

Выделяют 3 основных группы свойств: эсплуатационные, технологические, стоимостные. Эти свойства лежат в основе выбора материала.

Эксплуатационными называют свойства материала, которые определяют работоспособность деталей машин, приборов или инструментов, их силовые, скоростные, стойкостные и другие технико-эксплуатационные показатели.

Работоспособность вещества деталей машин обеспечивает уровень механическихсвойств. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием внешней нагрузки.

Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит от сопротивления воздействию химически активной рабочей среды. В этом случае определяющими становятся физико-химические свойства материала - жаростойкость и коррозионная стойкость. Жаростойкость - это способность материала противостоять химической коррозии в атмосфере сухих газов при повышенной температуре. Коррозионная стойкость - это способность материала противостоять электрохимической коррозии при наличии жидкой среды на поверхности металла.

Для некоторых деталей машин, важное значение, имеют физические свойства, характеризующие поведение материалов в магнитных, электрических и тепловых полях. Их подразделяют на магнитные, электрические, теплофизические и радиационные.

Среди технологических свойств главное место занимает технологичность материала - пригодность его для изготовления деталей машин требуемого качества при минимальных трудовых затратах.

Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке.

От технологичности материала зависит производительность и качество изготовления деталей.

Стоимостные свойства - это экономичность использования материала. Количественным показателем стоимости является оптовая цена.