5. Реальное строение металлических кристаллов

Обычно кусок металла состоит из скопления большого числа маленьких кристаллов неправильной формы, называемых зернами.

Рис. 11. Структура поликристаллического твердого тела (слева различная ориентация кристаллических решеток в эериах)

Кристаллические решетки в отдельных зернах ориентированы относительно друг друга случайным образом (в некоторых случаях, например, при холодной прокатке, наблюдается преимущественная ориентировка зерен — текстура (рис. 11). Поверхности раздела зерен называются границами зерен. Такой кусок металла является поликристаллом. При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, его называют монокристаллом. В настоящее время в лабораториях выращивают монокристаллы массой в несколько сот грамм и более.

Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают такой строгой периодичностью в расположении атомов, о которой говорилось выше, 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) (рис. 12).

Рис. 12. Схема точечных дефектов в кристалле: 1 — примесный атом замещения; 2 — дефект Шоттки; 3 — примесный атом внедрения; 4 — дивакансия; 5 — дефект Френкеля (вакансия и межузельный атом); 6 — примесный атом замещения

При переходе атома из равновесного положения (узла) в междоузлие возникает пара вакансия — межузельный атом, которая называется дефектом Френкеля, а если атом из своего узла выходит на поверхность кристалла, то образующийся дефект называется дефектом Шоттки, Точечные дефекты являются центрами локальных искажений в кристаллической решетке. Однако заметные смещения атомов, окружающих вакансию или межузельный атом, создаются только на расстояниях нескольких атомных диаметров от центра дефекта, и поля упругих напряжений являются близкодействующими, т. е. быстро убывают (с увеличением расстояния) от дефекта. Точечные дефекты, хотя и требуют определенной затраты энергии для образования, являются термодинамически равновесными, т. е. всегда присутствуют в кристалле. Это связано с тем, что точечные дефекты повышают энтропию системы. В результате этого свободная энергия может понижаться до определенной (равновесной) концентрации точечных дефектов. Расчет дает для равновесной концентрации вакансий соотношение где — число вакансий в кристалле из атомов; Е — энергия, требуемая для перемещения атома из узла решетки внутри кристалла в узел на поверхности (энергия образования вакансии).

Для меди при 300 К и при 1100 К, т. е. одна вакансия приходится на 100000 атомов. Энергия образования вакансии порядка 1 эВ , а энергия образования межузельного атома эВ, что связано в основном с тем, что межузельный атом вызывает большие искажения в решетке, чем вакансия. Поэтому концентрация межузельных атомов меньше концентрации вакансий. При невысоких температурах можно достичь концентрацию точечных дефектов гораздо выше равновесной за счет облучения элементарными частицами высокой энергии, пластической деформации, закалки (быстрого охлаждения) с высокой температуры, фиксирующей высокотемпературную, концентрацию вакансии. Вакансии могут объединяться, образуя пары — бивакансии и даже скопления вакансий. Перемещения вакансий по кристаллу, которое можно рассматривать и как встречное движение атомов играют важную роль в ряде процессов в сплавах (диффузия, ползучесть и т. д.). Энергия движения вакансии, необходимая для преодоления определенного энергетического барьера при ее перемещении, близка к 1 эВ. Достигаемые в ионном микроскопе увеличения и разрешающая способность позволяют получать изображения отдельного атома или вакантного узла.

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 (рис. 13). Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой.

Если в идеальной решетке провести контур (контур Бюргерса) вокруг любого, произвольного места, т. е. отложить определенное число параметров решетки вокруг этого места, то контур Бюргер сомкнется. Как видно из рис. 13 в реальной решетке, содержащей дислокации, контур Бюргерса не сомкнется, т. е. число параметров решетки по разные стороны дислокации будет отличаться на величину которая называется вектором Бюргерса.

Рис. 13. (см. скан) Краевая (а) и линейная (б) дислокации в кристаллической решетке

Для краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен линии дислокации (вектору а для винтовой параллелен.

Плоскость, проходящая через векторы и называется плоскостью скольжения. В кристаллах встречаются и так называемые смешанные дислокации, у которых угол между и I произвольный. Дислокации не могут обрываться внутри кристалла — они должны быть либо замкнутыми, либо выходить на поверхность кристалла. Плотность дислокаций, т. е. число линий дислокаций, пересекающих внутри металла площадку в 1 см, составляет в наиболее совершенных монокристаллах до в сильно деформированных металлах. Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально расстоянию от них. Упругая энергия, обусловленная полем напряжений, дислокаций, пропорциональна . Наличие упругих напряжений вокруг дислокаций приводит к их взаимодействию, которое зависит от типа дислокаций 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 (рис. 14), 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 расплава. Основным механизмом размножения дислокаций при пластической деформации являются так называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокаций, закрепленные на концах, которые под

действием напряжений могут прогибаться, испуская при этом дислокации, и вновь восстанавливаться. Так как пластическая деформация в кристаллических телах осуществляется движением дислокаций х, то упрочнение металла может быть достигнуто путем создания препятствий для их продвижения.

Рис. 14. Схема сдвиговой деформации, осуществляемой скольжением краевой дислокации

Рис. 15. Дислокации в марганцевой стали (снято в просвечивающем электронном микроскопе): а — отдельные дислокации; б — плоское скопление дислокаций; в — дислокации сплетения; г — ячеистая дислокационная структурах 20 000

Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокаций 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.). Большинство методов прямого наблюдения дислокаций основано на регистрации создаваемых ими в решетке искажений. В результате этого изменяется травимость поверхности кристалла, условия дифракции рентгеновских лучей и электронов. На рис. 15 показаны изображения дислокаций в сплавах, полученные в просвечивающем электронном микроскопе.

Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в нескольких межатомных расстояниях в третьем измерении. К ним относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхности кристалла.

Рис. 16. Дефекты упаковки в марганцевой стали: а — единичные; б — скопления, Х30 000

Под дефектами упаковки подразумевают локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле.

Например в г. ц. к. решетке плотноупакованные плоскости расположены так, что каждый четвертый слой находится в той же позиции, что и первый. Однако изменение чередования плоскостей таким образом, что каждый третий слой будет повторяться, т. е. атомы будут располагаться в тех же позициях, и приведет к образованию дефекта упаковки. Дефект упаковки не создает, подобно точечным или линейным дефектам поля упругих напряжений, однако обладает энергией, которую обычно относят к единице площадц. Для алюминия эта энергия составляет для меди . Изображения дефектов упаковки в электронном микроскопе показаны на рис. 16.

Одним из видов дефектов являются так называемые двойники. Двойникованием, т. е. образованием двойников, называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки (рис. 17). Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла. Обычно деформация, двойникованием протекает в тех случаях, когда деформация скольжением, т. е. путем движения дислокаций, затруднена.

Электронно-микроскопическое изображение двойников показано на рис. 18.

Исследования строения металлов показали, что зерна в поликристаллах не являются монолитными, совершенными монокристаллами, а состоят из отдельных, так называемых субзерен (блоков), повернутых одно относительно другого на малый угол.

Рис. 17. Деформация скольжением (а) и двойннкованием (б)

Рис. 18. Двойники отжига (а) и деформационные, X 16 000 (б)

Границы субзерен и зерен в металлах принято разделять на малоугловые (угол разориентировки менее 5°) и большеугловые (более 5°). Малоугловые границы наблюдаются, как правило, между субзернами и имеют дислокационное строение (рис. 19). В простейшем случае малоугловую границу можно представить с помощью ряда параллельных краевых дислокаций. Структура большеугловых границ более сложная.

К объемным (трехмерным) дефектам относятся такие, которые имеют размеры в трех измерениях: макроскопические трещи вы, поры и т. д.

Рис. 19. Дислокационное строение малоугловой границы