Строение поверхностного слоя металла

Поверхностный слой металла включает в себя наружную поверхность, имеющую непосредственный контакт с внешней средой (граничный слой), и нижележащий слой деформированного металла, отличающегося от основной части (сердцевины) металла своим строением, механическими, физическими и химическими свойствами.

Граничный слой

При идеально правильной структуре каждый атом, расположенный внутри металла, во всех направлениях подвергается воздействию силовых полей окружающих его атомов и находится, поэтому в состоянии подвижного устойчивого равновесия. Атомы, расположенные на поверхности, имеют связи только с соседними и нижележащими атомами и находятся поэтому в неуравновешенном, неустойчивом состоянии. В результате этого граничный слой, включающий в себя примерно два ряда атомов, обладает запасом свободной поверхностной энергии.

Поверхностную энергию можно представить в виде суммы потенциальной и кинетической энергий. Потенциальной части энергии соответствуют искажения нормального построения решётки (составляющие от долей процента до нескольких процентов от нормального интервала между атомами), а кинетической - изменение режима колебаний атомов в граничном слое.

Вследствие своей повышенной активности поверхность твёрдого тела неизбежно адсорбирует элементы окружающей среды и, как правило, бывает покрыта слоями адсорбированных газов, паров воды и жиров, часто осаждающихся прямо из воздуха.

Адсорбированные слои смазки, особенно поверхностно-активной, оказывают значительное влияние на величину поверхностной энергии, на процесс пластической деформации, на диспергирование поверхностных слоев и прочность металла (эффект Ребиндера). Адсорбция снижает поверхностное натяжение и энергию поверхностных атомов и облегчает развитие деформации.

Поверхность, и в особенности трещины и выходящие наружу межзерновые граничные прослойки, являются как бы воротами, через которые чужеродные атомы проникают в твёрдое тело. Воздействие окружающей среды приводит к возникновению на поверхности различных химических соединений, наиболее типичными представителями являются различные окислы.

Так, например, на стали можно наблюдать последовательно слои следующих окислов железа в направлении от поверхности в тело: Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO+ Fe₃O₄ , FeO.

Внутренняя часть поверхностного слоя

Ниже граничного слоя, покрытого пленкой жиров, водяных паров, адсорбированных плёнок и окислов, обычно располагается слой сильно деформированного и упрочнённого металла.

У металлов, находящихся в ненапряжённом или отожжёном состоянии, ниже слоя окисных плёнок располагается основная поликристаллическая структура, состоящая из более или менее равновесных кристаллических зерен неправильной формы (обычно с размерами от 0,01 до 1,0 мм), связанных межзеренной прослойкой. Кристаллические зерна (кристаллиты) построены из рядов определенным образом расположенных атомов, образующих соответствующие данному металлу кристаллические решетки, однако никакой закономерности взаимной ориентировки направлений кристаллографических осей отдельных зерен не существует.

Мозаичная структура

Во многих случаях при кристаллизации формируется так называемая мозаичная структура, состоящая из небольших блоков с размерами 10^-3-10^-4 мм (т.е. порядка 10000 атомных расстояний), неправильной формы, но правильного внутреннего строения, разориентированных друг относительно друга под небольшими углами (от нескольких секунд до десятков минут, но не более одного градуса).

В одном кубическом миллиметре может находиться до 10¹² блоков. В поперечнике зерна мелкозернистой стали находится около 10 блоков, в крупнозернистой стали, алюминии, вольфраме от 70 до 200 блоков. Размеры блоков мозаики одного кристалла, даже после полного отжига, могут значительно отличаться друг от друга, что приводит при пластической деформации к возникновению значительных по величине остаточных напряжений, уравновешивающихся в границах одного зерна (т.е. напряжений второго рода). Блоки мозаики состоят из мелких кристаллов.

В кристаллитах всегда существуют атомы, обладающие энергией, превосходящей среднее значение энергии соседних атомов, и способные, поэтому, преодолеть созданный последними потенциальный барьер, покинуть свои места равновесия в узлах решетки, создавая в них пустоты (вакансии), и занять новые места в междоузлиях решетки (дислоцированные атомы) или в вакансиях других кристаллических ячеек. Беспорядочное движение атомов вокруг вакансий приводит к попаданию на свободное место в решетке какого-нибудь другого атома, что приводит к исчезновению данной вакансии и появлению новой.

При комнатной температуре число вакансий невелико, однако оно резко возрастает при повышении температуры и при пластической деформации металла.

Возникновение вакансий изменяет плотность металла. Наличие вакансий и дислоцированных атомов приводит к значительным искажениям кристаллической решетки.

В реальных кристаллах наиболее химически чистых элементов, содержащих всего 10^-7 % примесей, находится порядка 10¹³ примесных атомов.

Так как чужеродные атомы по своей физической природе и размерам отличаются от атомов основного металла, их присутствие вызывает искажение кристаллической решетки. Примеси оказывают существенное влияние на механические, химические, оптические и магнитные свойства, металлов. Точечные дефекты (вакансии, примеси, дислоцированные атомы) вызывают нарушение правильности строения кристаллической решетки и приводят к повышению свободной энергии кристалла. Равновесное положение точечных дефектов в решетке является метастабильным, а удаление их из кристалла влечет за собой понижение его свободной энергии.

Дислокации

Сопротивление деформированию и разрушению кристаллов определяется энергией межатомной связи. Каждый атом кристаллической решетки подвергается одновременному воздействию сил притяжения (электростатические силы притяжения противоположно заряженных частиц ионов и электронов) и сил отталкивания (силы отталкивания одноименно заряженных электронов). Общая потенциальная энергия взаимодействия ионов и электронов (энергия связи) является функцией межатомного расстояния. Теоретическая прочность твердого тела при абсолютном нуле возрастает с увеличением модуля упругости Е (модуля Юнга) и величины поверхностной энергии и уменьшается с увеличением расстояния между соседними плоскостями. В связи с этим высокопрочные материалы - это материалы с высокими значениями модуля упругости, большой поверхностной энергией и большим числом атомов в единице объема. Расчетами теоретической прочности металлов установлено критическое напряжение t_кр сдвига, необходимое для осуществления пластической деформации t_кр=G/30, где G - модуль упругости второго рода. Расчеты теоретической прочности металлов по данной формуле дают ее значения на несколько порядков выше их фактической прочности, установленной непосредственными экспериментами.

Так, при теоретической величине напряжения сдвига у железа t_{кр,теор}=2300 МПа его экспериментальное значение составляет всего t_{кр,эксп}29 МПа.

Значительные расхождения теоретической и фактической прочности металлов объясняются наличием в реальных поликристаллах различных несовершенств и дефектов кристаллической решетки (точечные дефекты в виде вакансий, дислоцированных атомов и примесей и линейные дефекты в виде дислокаций различного типа). Особенно сильное влияние на снижение прочности реальных металлов оказывают дислокации.

Рис. 7.1. Расположение атомов в зоне линейной дислокации

На рисунке 7.1 дано перспективное изображение расположения атомов вокруг линейной дислокации в простом кубическом кристалле. Атомный ряд 1 и все горизонтальные ряды атомов, расположенные выше него, имеют соответственно на один атом больше ряда 2 и нижележащих рядов атомов. Это приводит к искажению строения решетки, при котором расстояние между атомами верхнего ряда у точки 0 (центр, или ядро дислокации) меньше нормального (решетка сжата), а расстояние между атомами нижнего ряда у точки 0 больше нормального (решетка растянута). По мере удаления от центра дислокации вправо и влево, вверх и вниз искажение решетки постепенно уменьшается и на некотором расстоянии от точки 0 в кристалле восстанавливается нормальное расположение атомов. Аналогичное расположение атомов повторяется в большом числе плоскостей, расположенных параллельно плоскости чертежа, поэтому центры (ядра) дислокации 0 каждой атомной плоскости кристалла образуют линию наибольших искажений решетки, направленную перпендикулярно к плоскости чертежа. Образование линейной дислокации можно представить по рисунку 7.1 как введение в часть объёма кристалла лишней атомной плоскости М-О, называемой экстраплоскостью. Наибольшее искажение сосредоточено в основном вблизи нижнего края полуплоскости лишних атомов М-О, поэтому под дислокацией обычно и понимается линия искажения, которая проходит вдоль края лишней атомной плоскости. Фактически линейная дислокация представляет собой не просто линию наибольших искажений решетки, а включает в себя всю полосу примыкающих к этой линии атомов, имеющих неправильное взаимное расположение. Дислокация проходит через весь кристалл или значительную его часть на длину порядка 10^-4 мм, сливаясь обычно с другими дислокациями, имеющими иное направление, или упираясь концами в какие-либо дефекты структуры кристалла (примеси, границы зёрен).

Среднее расстояние между отдельными дислокациями в кристалле составляет 10⁴ межатомных расстояний, что соответствует для отожженного металла 10^-3 мм, или 1 мкм. У наклепанного металла расстояние между дислокациями уменьшается до 10^-6 мм, т.е. до 0,001 мкм.

Суммарная длина дислокаций в единице объёма металла очень велика. Так, в 1 см³ отожженного металла, имеющего плотность дислокаций 10⁷-10⁸ см ^-2, суммарная длина дислокаций изменяется от 100 до 1000 км.

Дислокация, изображенная на рисунке 7.1 и имеющая в верхнем ряду 1 больше атомов, чем в нижнем ряду 2, считается положительной и обозначается символом ^. В противоположном случае, когда в нижнем ряду число атомов больше, чем в верхнем, дислокация считается отрицательной и обозначается символом .

Возникновение дислокаций в кристалле не приводит к нарушению сплошности кристаллической решетки и образованию свободной поверхности, однако, атомные слои в месте расположения дислокаций упруго искажаются, в результате чего возникает локальная концентрация напряжения.

Если силы, действующие на дислокацию, каким-либо образом уравновешены, то она остается неподвижной, находясь в некотором метастабильном состоянии. Чтобы вывести дислокацию из такого состояния, необходимо подвести к материалу энергию извне, прикладывая внешнюю неуравновешенную нагрузку или повышая температуру материала.

Дополнительная внешняя нагрузка вызывает смещение дислокации в направлении вектора результирующей силы. Повышение температуры увеличивает подвижность дислокации, поэтому происходит смещение дислокаций при приложении меньших по величине внешних нагрузок. При этом общее количество дислокаций в кристалле непосредственно от температуры его нагрева не зависит.

Силовые поля дислокаций взаимодействуют между собой. Если дислокации, расположенные в одной плоскости скольжения, обладают одинаковым знаком, то они отталкиваются одна от другой; если же дислокации имеют разные знаки, то они притягиваются. По мере сближения дислокаций одного знака сила их взаимного отталкивания возрастает, а в области сближения таких дислокаций возникает высокая концентрация напряжений, тем большая, чем больше дислокаций находиться в зоне скопления. Сближение дислокаций разного знака приводит к их аннигиляции (взаимоуничтожению) с выделением энергии.

Дислокации возникают в реальном кристалле в процессе его роста из расплава или раствора.

Источниками дислокаций в недеформированном кристалле могут служить также скопления вакансий.

Линии дислокаций могут заканчиваться выходом на границу (поверхность) кристалла. Внутри кристалла дислокация не может оборваться внезапно, т.е. так, чтобы далее простиралась область правильной структуры (в направлении линии дислокации), поэтому во внутренних зонах концы линий дислокации должны соединяться, образуя замкнутые системы. В связи с этим кроме простых линейных дислокаций в кристаллах существуют криволинейные дислокации разной формы, а также возникают «большие дислокации», которые могут быть разложены на ряд простых дислокаций. Второй разновидностью «правильно построенных» дислокаций являются винтовые дислокации, расположенные по винтовой поверхности. Дислокации в реальных кристаллах формируются обычно как разнообразные сочетания форм линейной и винтовой дислокаций.

Рис. 7.2. Модель деформации решетки в области винтовой дислокации

Атомы, принадлежащие до смещения параллельным плоскостям, теперь будут принадлежать одной винтовой поверхности, образовавшейся в результате указанного смещения на межатомное расстояние b, поэтому рассмотренное линейное несовершенство назвали винтовой дислокацией. Ось цилиндра ef назвали осью винтовой дислокации. Ось винтовой дислокации (её также называют линией винтовой дислокации) параллельна направлению скольжения в кристаллической решетке.

Дислокации оказываются подвижными при напряжениях, которые значи­тельно меньше модуля сдвига. Чтобы дислокация передвинулась от одного атомного ряда решетки к следующему, необходимы лишь чрезвычайно малые изменения в расположении атомов. Смещение атомов таким образом не устраняет дислокацию, а только изменяет ее положение. В связи с этим, однажды образовавшись, дислокация может двигаться через кристалл при очень малом напряжении и с очень большой скоростью, приближающейся при больших внешних напряжениях к скорости звуковой волны.

Рис. 7.3. Движение волны смещения (полосы дислокаций) при пласти­ческой деформации кристалла

В соответствии с этим процесс скольжения может быть представлен как движение через кристалл некоторой волны смещения, являющийся полосой дислокации (рис. 7.3, а, б), завершающееся появлением на, кристалле ступеньки сдвига (рис. 7.3, в), т.е. пластическим смещением одной части кристалла относительно остального его объёма.