Линейные и поверхностные дефекты

 

Основными линейными дефектами являются смещение атомных плоскостей (дислокации) (от лат. dislocation – смещение) и цепочки вакансий (рис. 2.2). Важнейшими видами линейных несовершенств являются краевые (линейные) и винтовые дислокации.

Образование краевых дислокаций вызвано присутствием в кристаллической решетке неполных кристаллографических плоскостей. Такие полуплоскости, не имеющие продолжения в нижней или верхней части кристаллической решетки, называются экстраплоскостями.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край «лишней» полуплоскости (рис. 2.2, а). Нижний край экстраплоскости называется линией дислокции.

                   а                              б

Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

 

Большинство дислокаций образуется путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать с помощью следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Рис. 2.3. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 2.3).

Таким образом, краевая дислокация представляет собой область упругих искажений, проходящих вдоль края экстраплоскости. Различают положительные и отрицательные дислокации. Положительная дислокация (ее отмечают знаком ┴) возникает, если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, отрицательная – если в нижней (ее отмечают знаком ┬).

Винтовая дислокация – это область упругих искажений кристаллической решетки, проходящая вдоль линии, вокруг которой атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности.

Рис. 2.4. Механизм образования винтовой дислокации

Винтовая дислокацияполучена частичным сдвигом по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 2.4) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.

В зависимости от направления изгиба различают правые и левые винтовые дислокации. Вблизи линии дислокаций атомы смещены со своих мест и кристаллическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже – растянута.

Дислокации образуются при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.

Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1м², или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1м³. Единица плотности дислокаций ρ – см⁻² или м⁻².

ρ .

Рис. 2.5. Влияние плотности дислокаций на прочность. 1 – теоретическая прочность, 2 – прочность усов, 3 – чистые металлы, 4 – реальная прочность металлов, 5 – металлы и сплавы упрочненные

Плотность дислокаций изме-няется в широких пределах и зависит от состояния материала. Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 2.5). Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций: ρ=10⁵…10⁷ м^-2. Если плотность меньше значения ρ, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. Левая ветвь кривой влияния дефектов кристаллической решетки на прочность металлов соответствует созданию совершенных бездислокационных нитевидных кристаллов («усов»), прочность которых близка к теоретической. Правая часть отражает реальную прочность металлов и сплавов. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций она не должна превышать значений 10¹⁵ –10¹⁶ м ^–2. В противном случае образуются трещины. Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, границы зерен или блоков и т.д.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно «захлопывание» их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

Рис. 2.6. Разориентация зерен и блоков в металле

Поверхностные дефекты представляют собой упругие искажения кристаллической решетки по границам зерен или их фрагментов (блоков мозаичной структуры) (рис. 2.6). Двухмерные (плоскостные) дефекты характерны для поликристаллических материалов, в которых кристаллы различно ориентированы в пространстве. Различают большеугловые (высокоугловые) и малоугловые (низкоугловые) границы.

Большеугловые границы представляют собой области в несколько периодов кристаллической решетки, на протяжении которых решетка одной кристаллографической ориентации переходит в решетку другой ориентации. Такое строение имеют межзеренные границы. Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов (θ).

Малоугловые границы представляют собой цепочки дислокаций (дислокационные стенки), которые отделяют одну часть кристаллической решетки от другой (один блок мозаичной структуры от другого). Плотность расположения дислокаций зависит от угла между кристаллографическими плоскостями в соседних блоках. Чем угол больше (в пределах до нескольких угловых градусов), тем чаще расположены дислокации.

Строение границ зерен оказывает влияние на свойства металлов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла.

Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макродефекты объемного характера: усадочные и газовые поры, неметаллические включения, микротрещины и т.д. Эти дефекты снижают механические свойства металла.

 

Тестовые задания

 

25. Искажения, охватывающие области в радиусе 6-7 периодов кристаллической решетки, представляют собой группу дефектов:

а) поверхностных; б) объемных; в) точечных; г) линейных.

26. Дефект, вызванный отсутствием атома в узле кристаллической решетки, называется:

а) дислокацией; б) порой; в) вакансией; г) межузельным атомом.

27. Дефект кристаллической структуры, представленный на рис. 2.7, – это:

а) примесный атом внедрения; б) межузельный атом; в) примесный атом замещения; г) вакансия.                                                                                                                     Рис.2.7

28. Элемент кристаллической структуры, помеченный на рис. 2.8 знаком вопроса, – это:   

а) плоскость скольжения; б) краевая дислокация; в) цепочка межузельных атомов; г) экстраплоскость.                                                                                  Рис.2.8

29. Дефекты, измеряемые в двух направлениях несколькими периодами, а в третьем – десятками и сотнями тысяч периодов кристаллической решетки, – это:

а) межузельные атомы; б) поверхностные дефекты; в) дислокации; г) микротрещины.

30. Экстраплоскость – это:

а) плоскость раздела фрагментов зерна или блоков мозаичной структуры; б) поверхностный дефект кристаллической решетки; в) атомная полуплоскость, не имеющая продолжения в нижней или верхней частях кристаллической решетки; г) атомная плоскость, по которой происходит скольжение одной части кристалла относительно другой.

31. Дефект, представляющий собой область искажений кристаллической решетки вдоль края экстраплоскости, называется:

а) краевой дислокацией; б) цепочкой вакансией; в) микротрещиной; г) винтовой дислокацией.