Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке.
Различают три типа дефектов кристаллического строения:
1) Точечные дефекты характеризуются малыми размерами (несколько атомных диаметров) во всех трех измерениях.
Вакансии – свободные места в узлах кристаллической решетки | Дислоцированные атомы – атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки | Примесные атомы – атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки |
Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии.
Производят локальное изменение межатомных расстояний, тем самым, искажая кристаллическую решетку. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление
2) Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Такой вид дефекта называется дислокацией. Различают дислокации краевые и винтовые.
Краевая дислокация (наличие экстраплоскости) | Винтовая дислокация (сдвиг атомных слоев по плоскости) |
Смещенные атомы стремятся переместиться в равновесное положение. При движении дислокации вдоль направления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней его частей на одно межатомное расстояние. В результате перемещения дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает.
Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих место и кристаллическая решетка искажена, что вызывает поле напряжений.
Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплоскости (атмосферы Коттрелла) и снижают уровень упругих искажений дислокационной структуры. При повышении t° атм. Коттрелла рассеиваются, а при понижении t° до достижения предела растворимости они могут образовывать дисперсные выделения второй фазы.
С повышением плотности дислокаций (суммарная длина дислокации в единице объема кристалла, см/см3=см-2) их движение все более затруднено и для продолжения деформации требуется увеличение прилагаемой нагрузки, в результате металл упрочняется.
Упрочнению способствуют и др. несовершенства кристаллического строения, тормозящие движения дислокаций – примеси и легирующие элементы, частицы выделений второй фазы, границы зерен, а также наклеп, т.о., низкие температуры.
Общее количество дислокаций в кристалле характеризуют плотностью дислокаций. Это суммарная длина линий дислокаций в единице объёма [см/см3] или, что то же самое, число пересечений дислокациями единичной площадки [1/см2].
Кривая И.А. Одинга | Теоретическая прочность – определяется силами межатомного сцепления. Усы – нитевидные кристаллы железа 0,5-2 мкм ´ 100 мм без дефектов с прочностью sВ = 13 500 МПа, что близко к теоретической прочности. Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку в 1 м2, или как суммарная длина дислокаций в 1 м3. Плотность дислокаций обычно колеблется от 106 до 107 на 1 м2 в наиболее совершенных монокристаллах и до 1015–1016 на 1 м2 в сильно искаженных (наклёпанных) металлах. При плотности дислокаций более 1012 в металле образуются субмикроскопические трещины, вызывающие разрушение. |
3) Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть, например, границы зерен.
Зерно – это кристалл неправильной формы, выросший из одного зародыша. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую ориентировку решеток.
Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.
Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, что оказывает существенное влияние на механические свойства металла. Измельчение зерна увеличивает пластичность и вязкость металла.
Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макродефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины. Эти дефекты снижают прочность металла.