3. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ МЕТАЛЛОВ

В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные (нульмерные), линейные (одномерные) и поверхностные (двумерные).

Точечные дефекты. Эти дефекты (рис. 9) - малы во всех трех измерениях, и размеры их не превышают нескольких

Рис. 9. Точечные дефекты кристаллической решетки

атомных диаметров. К точечным дефектам относятся: вакансии (дефекты Шоттки), т. е. узлы решетки, в которых атомы отсутствуют (рис. 9, а и б). Вакансии чаще образуются в результате перехода атомов из узла решетки на поверхность или полного испарения с поверхности кристалла и реже в результате их перехода в междоузлие.

В кристалле всегда имеются атомы, кинетическая энергия которых значительно выше средней, свойственной заданной температуре нагрева. Такие атомы, особенно расположенные вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, их место займут атомы, находящиеся дальше от поверхности, а принадлежащие им узлы окажутся свободными, т. е. возникнут тепловые вакансии.

Источниками тепловых вакансий, т. е. возникающих при нагреве, являются свободные поверхности, границы зерен, пустоты и трещины. С повышением температуры концентрация вакансий возрастает. Количество вакансий при температуре, близкой к плавлению, может достигать 1 % по отношению к числу атомов в кристалле. Быстрым охлаждением от этой температуры можно зафиксировать эти вакансии при нормальной температуре (так называемые закалочные вакансии).

Кристалл, находящийся при данной температуре в термодинамическом равновесии, имеет равновесную концентрацию тепловых вакансий. При данной температуре в кристалле создаются не только одиночные вакансии (см. рис. 9, а), но и двойные, тройные и их группировки. Большинство вакансий являются двойными (так называемые дивакансии) (см. рис. 9, б).

Вакансии образуются не только в результате нагрева, но и в процессе пластической деформации, рекристаллизации и при бомбардировке металла атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронное облучение в ядерном реакторе).

Межузельные атомы (дефекты Френкеля) образуются в результате перехода атома из узла решетки в междоузлие (см. рис. 9, а). На месте атома, вышедшего из узла решетки в междоузлие, образуется вакансия.

В плотноупакованных решетках, характерных для большинства металлов, энергия образования межузельных атомов в несколько раз больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому в металлах очень трудно возникают межузельные атомы и основными точечными дефектами являются тепловые вакансии.

Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки (см. рис. 9). Смещения (релаксация) вокруг вакансии возникают обычно в первых двух-трех слоях соседних атомов и составляют доли межатомного состояния. Вокруг межузельного атома в плотноупакованных решетках смещение соседей значительно больше, чем вокруг вакансий.

Рис. 10. Схема механизма перемещения атомов в кристаллической решетке металлов

Точечные несовершенства появляются и как результат присутствия атомов примесей, которые имеются даже в самом чистом металле. Атомы примесей или замещают атомы основного металла в кристаллической решетке или располагаются в междоузлии (см. рис. 9), искажая решетку. Наличие вакансий предопределяет возможность диффузии, т. е. перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные для данного металла.

Если перемещения атомов не связаны с изменением концентрации в отдельных объемах, то такой процесс называется самодиффузией. Диффузия, сопровождающаяся изменением концентрации, происходит в сплавах или металлах с повышенным содержанием примесей и называется гетеродиффузией.

Атомы металла при самодиффузии, а также примеси, атомы которых замещают атомы основного металла в кристаллической решетке, перемещаются путем обмена местами с вакансиями (рис. 10, а); примеси, располагающиеся в междоузлии (при диффузии) передвигаются путем перехода из одного междоузлия в другое (рис. 10, б). Точечные дефекты Шоттки и Френкеля влияют на некоторые физические свойства металла (электрическую проводимость, магнитные свойства и др.), а также на фазовые превращения в металлах и сплавах.

Линейные дефекты. Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Этими несовершенствами могут быть ряд вакансий или ряд межузельных атомов. Особыми и важнейшими видами линейных несовершенств являются дислокации — краевые и винтовые.

Краевая дислокация (рис. 11) представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстраплоскости.

Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в кристалле — сдвиг (рис. 11, а). Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировать положение, когда сдвиг охватит не всю плоскость скольжения, а только часть ее то граница между участком, где скольжение уже произошло, и участком в плоскости скольжения, в котором скольжение еще не произошло, и будет дислокацией.

Край экстраплоскости представляет собой линию краевой дислокации, которая простирается вдоль плоскости скольжения

Рис. 11. (см. скан) Краевые дислокации (—вектор сдвига): а — сдвиг, создавший краевую дислокацию; б пространственная схема краевой дислокации; в, г - схемы расположения атомов у дислокации

(перпендикулярно к вектору сдвига через всю толщу кристалла (рис. 11, а). В поперечном сечении, где имеет место существенное нарушение в периодичности и расположении атомов, размеры дефекта не велики и не превышают (3—5) а (а — период решетки).

Дислокационные линии не обрываются внутри кристалла, они выходят на его поверхность, заканчиваются на других дислокациях или образуют замкнутые дислокационные петли.

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают (рис. 11, в), а если в нижней — то отрицательной и обозначают Т (рис. 11, г). Различие между положительной и отрицательной дислокациями чисто условное. Переворачивая кристалл, мы превращаем отрицательную дислокацию в положительную. Знак дислокации важен при анализе их взаимодействия.

Дислокации при приложении небольшого касательного напряжения легко перемещаются. В этом случае экстраплоскость посредством незначительного смещения перейдет в полную плоскость кристалла, а функции экстраплоскости будут переданы соседней плоскости. Дислокации одинакового знака отталкиваются (рис. 12, а), а разного знака взаимно притягиваются (рис. 12, б). Сближение дислокаций разного знака приводит к их взаимному уничтожению (аннигиляции).

Кроме краевых различают еще винтовые дислокации. На рис. 12 показана пространственная модель винтовой дислокации — это прямая линия (рис. 13), вокруг которой атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности. Обойдя верхнюю атомную плоскость по часовой стрелке, приходим к краю второй атомной плоскости и т. д. В этом случае кристалл можно представить как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности (рис. 13). Винтовая дислокация так же, как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по

Рис. 12. (см. скан) Схема взаимодействия дислокаций, лежащих в одной плоскости скольжения

плоскости . В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация параллельна вектору сдвига.

Если винтовая дислокация образована движением по часовой стрелке, ее называют правой, а против часовой стрелки — левой. Вокруг дислокаций на протяжении нескольких межатомных расстояний возникают искажения решетки. Энергия искажения кристаллической решетки является одной из важнейших характеристик дислокации любого типа. Критерием этого искажения служит вектор Бюргерса.

Чтобы оценить степень искаженности решетки, вызванной дислокацией, следует сравнить несовершенный кристалл, содержащий дислокацию, с совершенным кристаллом. Для этого строят

Рис. 13. (см. скан) Пространственная модель образования винтовой дислокации в результате неполного сдвига по плоскости Q (а) и расположение атомов в области винтовой дислокации (б)

Рис. 14. Схема определения вектора Бюргерса: а — плоскость реального кристалла; б - плоскость совершенного кристалла

контур Бюргерса, представляющий собой замкнутый контур произвольной формы, условно выделенный в реальном кристалле путем последовательного обхода дефекта от атома к атому в совершенной области кристалла.

Для определения вектора Бюргерса краевой дислокации (рис. 14) выберем вокруг дислокации контур Проведем контур, откладывая, например, от точки А против часовой стрелки снизу вверх по шесть межатомных расстояний: и Контур замкнется в точке А и участок будет состоять только из пяти отрезков. В кристалле, в котором отсутствуют дислокации, этот участок так же, как и предыдущие, состоит из шести отрезков.

Вектор Бюргерса представляет собой разность периметров (ABCD-ABCD) контуров вокруг данного атома в плоскости идеальной решетки (рис. 14, б) и вокруг центра дислокации в реальной решетке (рис. 14, а), показывающую величину и направление сдвига в процессе скольжения.

Вектор Бюргерса для кристалла, содержащего винтовую дислокацию, определяют аналогично. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к ее линии, а в винтовой — параллелен ей. Если контур Бюргерса охватывает несколько дислокаций, то величина его соответствует геометрической сумме векторов Бюргерса отдельных дислокаций. Квадрат вектора Бюргерса характеризует энергию дислокаций и силы их взаимодействия.

Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов при «захлопывании» группы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений. Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций. Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокаций см, приходящуюся на единицу объема V кристалла, Таким образом, размерность плотности дислокаций, .

Плотность дислокаций экспериментально определяют путем подсчета числа вышедших на единицу площади шлифа

Рис. 15. Дислокации в коррозионно-стойкой стали, X 33 000

дислокационных линий. На рис. 15 показаны следы травления дислокаций, расположенных по границам блоков железа.

Дислокации присутствуют в металлических кристаллах в огромном количестве и обладают легкой подвижностью и способностью к размножению. Большое влияние на механические и многие другие свойства металлов и сплавов оказывает не только плотность, но и расположение дислокаций в объеме.

Поверхностные дефекты.

Эти дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или субзернами в поликристаллическом металле; к ним относятся также дефекты упаковки.

Поликристалл состоит из большого числа зерен, при этом в соседних зернах кристаллические решетки ориентированы различно. Границы между зернами называют больше угловыми, так как кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы, достигающие десятков градусов.

Каждое зерно металла состоит из отдельных субзерен (рис. 16, а), образующих так называемую субструктуру. Субзерна разориентированы относительно друг друга от нескольких долей до единиц градусов — малоугловые границы.

Субзерна имеют размеры (0,1-1 мкм) на один — три порядка меньше размеров зерен (рис. 16, а). На рис. 16, б дана блочная структура чистого металла, а на рис. 16, в — дислокации по границам блоков. Изучение субструктуры имеет большое

Рис. 16. Блочная структура металла: а — схема зерна и блочной структуры; б — реальная блочная структура металла, в - дислокационная структура субзерен металла,

Рис. 17. Модель размещения атомов в области границ зерен металла

значение, так как размеры и разориентирование субзерен влияют на многие свойства металлов. Границы между отдельными кристаллами (зернами) обычно представляют переходную область шириной до 3—4 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого кристалла, имеющего иную кристаллографическую ориентацию. Поэтому на границе зерна в переходной области атомы расположены иначе, чем в объеме зерна (рис. 17). Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границах субзерен.

Субграницы (мало- и среднеугловые границы) образованы определенными системами дислокаций (см. рис. 16, а, в).

С увеличением угла разориентации субзерен и уменьшением их величины плотность дислокаций в металле повышается. Атомы на границах зерен (или субзерен) и атомы, расположенные на поверхности кристалла, вследствие нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия, имеют более высокую потенциальную энергию, по сравнению с атомами в объеме зерен.

Вопросы для самопроверки

(см. скан)