Структурные дефекты кристаллов Критическая плотность дислокаций Формирование субструктуры.

Структурные дефекты кристаллов. Строение реальных кристаллов отличается от идеальных наличием дефектов, которые нарушают правильное расположение атомов в пространстве. Дефекты могут быть точечными (рис. 2.4), линейными (рис. 2.5), поверхностными (рис. 2.6) и объемными (рис. 2.7). Размеры точечных дефектов близки к размерам атомов.

Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздействием тепловых, механи-ческих, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами. Особую роль в поведении твердых тел играют вакансии, которые, в первую очередь, образуются в результате теплового движения атомов. При комнатной температуре концентрация вакансий сравнительно невелика, но резко повышается при нагреве, особенно вблизи температуры плавления (С ~ 10-5 - 10-4). Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии. Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии - перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для данного металла. Перемещение атомов осуществляется путем обмена местами с вакансиями.

Линейные дефекты представляют собой нарушения регулярности решетки вдоль линии. Поперечные размеры линейного дефекта не превышают одного или нескольких межатомных расстояний, а длина

К поверхностным дефектам в кристаллах относятся внутренние границы, которые разделяют зерна, образованные в процессе кристаллизации твердого тела из расплава (рис. 2.6). Такое твердое тело называют поликристаллическим.

Границы являются основным дефектом в металлах. На границах между зернами атомы не имеют правильного расположения. Существует переходная область шириной несколько атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с иной ориентацией. Строение переходного слоя (границы) способствует скоплению в нем дислокаций, так как при переходе через границу плоскость скольжения не сохраняется неизменной. Нарушение правильности расположения атомов способствует тому, что на границах зерен повышена концентрация тех примесей, которые понижают поверхностную энергию.

В свою очередь, зерна в поликристаллах не являются монолитными, а состоят из отдельных субзерен, которые повернуты относительно друг друга на малый угол. Субзерна являются многогранниками, которые содержат незначительное количество дислокаций, образованных в результате деформации. Субзерна различаются по типу, строению и плотности дислокаций. Субзерна разделены между собой малоугловыми и большеугловыми границами, которые имеют дислокационное строение. Малоугловую границу можно представить с помощью ряда параллельных краевых дислокаций (рис. 2.10). Образование субзерен с малоугловыми дислокациями называется полигонизацией. Структура большеугловых границ более сложная. Субграницы образованы определенными системами дислокаций.

В зависимости от того, какой материал и какое воздействие на него оказывает окружающая среда, расположение дислокаций будет различным. Если металл мало деформирован, то местом скопления дислокаций являются плоскости скольжения. Если же металлы подвергаются сильной деформации, то дислокации образуют ячеистые субструктуры, у которых плотные дислокационные границы (стенки) чередуются со слабо заполненным дислокациями пространством. К таким субструкурам относятся следующие: ячеистые разориентированная и неразориентированная, ячеисто-сетчатые разориентированная и неразориентированная, блочная, фрагментированная и субзеренная.

Субструктуры различаются строением границ, которые могут состоять из одного или нескольких слоев дислокаций, из равного или неравного числа дислокаций разных знаков или только из дислокаций одного знака.

Формирование субструктуры. Сначала рост числа дефектов (дислокаций) приводит к падению прочности. После достижения минимума прочность нарастает. В этом случае проявляется взаимодействие дислокаций друг с другом и другими дефектами, приводящее к затормаживанию движения дислокаций. Поэтому существуют два способа упрочнения материалов: снижение числа дефектов, тогда прочность стремится к теоретической, либо увеличение плотности дефектов. Оба пути реализованы в промышленности. В строго контролируемых условиях получают высокопрочные волокна (например, из бора), близкие по строению к бездефектным монокристаллам. На основе этих волокон изготавливают металло-композиционные материалы с огромной прочностью на разрыв. Из таких легких и прочных материалов начато изготовление кузовов гоночных автомобилей. Другим примером получения изделий из металлов, содержащих наименьшее число дефектов, является технология изготовления лопаток турбин турбореактивных двигателей.

Второй путь заключается в насыщении кристалла дефектами за счет закалки, легирования или механического наклепа. Легирование приводит к появлению в решетке инородных атомов. Закалка вызывает измельчение зерен поликристалла, причем границы зерен являются двумерными дефектами. На них рассеиваются дислокации. Деформационное упрочнение - наклеп приводит к образованию огромного количества новых дислокаций, которые препятствуют их взаимному перемещению.

Ранее мы отмечали, что вблизи поверхности трения возникает тонкий поверхностный слой, имеющий структуру, существенно отличающуюся от структуры материала основы. Данная структура, состоящая из мелкодисперсных фрагментов материала образца (0,01 - 0,1 мкм) с отдельными включениями материала контртела, в конечном счете не зависит от ее исходного состояния и соответствует предельно возможному деформированному состоянию. Кроме того, структура фрагментированного слоя характеризуется наличием сильных азимутальных разориентировок, которые достигают нескольких десятков градусов. Представляется необходимым изучение механизмов формирования такой структуры, поскольку оно должно способствовать пониманию триботехнических свойств материала в целом.

Формирование фрагментированной структуры с размером составляющих порядка 0.01-0.1 мкм характерно для всех видов пластической деформации, будь то деформация поверхностных слоев при трении, прокатка, деформация по схеме "давление+сдвиг" в камере Бриджмена или активная одноосная деформация. Дальнейшая пластическая деформация не приводит к еще большему измельчению субструктуры, что позволяет говорить о существовании характерного параметра, определяющего минимально возможный размер фрагментов. Ниже мы покажем, что эта длина является фундаментальной характеристикой материала, определяемой только параметром решетки, модулем сдвига и так называемым напряжением трения недислокационой природы, т.е. напряжением, которое необходимо создать в идеальном кристалле для того, чтобы начать движение прямолинейной дислокации.

Формирование дислокационных субструктур начинается уже на начальных стадиях пластической деформации при таких плотностях дислокаций, когда средние силы взаимодействия соседних дислокаций меньше сил внутреннего трения. На этих стадиях энергетика взаимодействия дислокаций не влияет на формирование дислокационных структур. Последние имеют чисто кинетическую природу и не будут рассматриваться. Сюда относятся все типы неразориентированных субструктур, в том числе сетчатая и ячеистая структуры по классификации.