Дефекты кристаллической решетки

 

 

 

 

 

Наиболее распространенными  типами кристаллических решёток  металлов являются:

А – Кубическая объёмно центрированная. (О.Ц.К.)

Б – кубическая гранецентрированная (Г.Ц.К.)

В – гексагональная плотноупакованная. ( Г.П.У.)

О.Ц.К. – решётку имеет железо при обычных температурных условиях, хром, вольфрам, ванадий, молибден, калий, натрий и другие.

О.Ц.К. – решётку имеет никель, медь, алюминий, свинец, серебро, железо при температуре 911 – 1392 градуса Цельсии и другие металлы.

Г.П.У. – решётку имеет  цинк, а так же кобальт, цирконий и метан при комнатной температуре.

Как видно из перечислений, некоторые металлы в зависимости  от температурных условий существуют при разных способах расположение атомов в пространстве относительно друг друга.

Например, железо при  температуре до 911 градусов Цельсии  имеет О.Ц.К – решётку, далее  до 1392 градусов Цельсии существует в аллотропической форме Г.Ц.К, а затем вплоть до температуры  плавление снова принимает форму  О.Ц.К.

Способность метала изменять тип своей кристаллической решётки в зависимости от температуры называется аллотропией (полиморфизмом). Полиморфные превращение свойственны так же титану, цирконию, олову и другим металлом.

Аллотропические превращение  имеют важное значение в технике, благодаря им, например, оказываются возможным производить термическую обработку стали и других сплавов, имеющую целью изменять их структуру и свойство.

Если в отдельных  ячейках кристаллической решётки  между её узлами по каким – либо причинам оказывается как бы «лишние атомы» данного им другого элемента, то образующие при этом дефекты называются внедрёнными атомами. Внедрённые атомы так же искажают кристаллическую решётку и создают внутреннее напряжение. При внедрении в междоузлие решётки атомов других элементов эти напряжение оказываются тем больше, чем значение разницы между размерами атомов внутренние и данного метала. Линейные несовершенства кристаллической решётки называется дислокациями.

Дислокации можно представить  таким образом: если надрезать идеальный кристалл и сместить края надреза на величину, кратную периоду решётки, то внутри кристалла у края надреза возникает некоторое искажение, которое и является дислокацией. Если края надреза сдвинуть параллельно надрезу, то образующая дислокация называется винтовой. Если же края надреза раздвинуть и внутрь образовавшийся щели вставить (или удалить из неё) лишнюю атомную плоскость того же материала (экспро плоскость), это приведёт к образованию дислокации другого типа – «краевой».

Ознакомившись с вакансиями, внедрёнными атомами и дислокациями, очень важно для понимание прочности металлов уяснить, что все эти дефекты приносят в зёрна металла, в их кристаллическую решётку искажение.

 

3. Дефекты кристаллической  решетки

 

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

Точечные дефекты:

Вакансии чаще образуются в результате перехода атомов из узла решетки на поверхность или полного испарения с поверхности кристалла, реже их перехода в межузелье (рисунок 3.1).

В кристалле всегда найдутся атомы, кинетическая энергия которых  выше средней, свойственной заданной температуре  нагрева. Такие атомы, особенно расположены  вблизи поверхности, могут выйти  на поверхность кристалла, их место займут атомы находящиеся дальше от поверхности, а принадлежащие им узлы окажутся свободны, т.е. возникнут тепловые вакансии. При данной температуре в кристалле создаются не только одиночные вакансии, но двойные, тройные и их группировки. Большинство вакансий являются двойные (так называемые дивакансии).

Вакансии образуются не только в результате нагрева, но и в процессе пластической деформации, рекристаллизации и при бомбардировке  металла или частицами высоких  энергий.

Межузельный атом, образованный в результате перехода атома из узла в межузелье, на месте которого образуется вакансия. В плотноупакованных решетках, характерных для большинства металлов, энергия образования межузельных атомов в несколько раз больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому в металле очень трудно возникают межузельные атомы и основными точечными дефектами являются тепловые вакансии.

Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической  решетки, смещение вокруг вакансии возникают  обычно в первых двух-трех слоях  соседних атомов и составляют доли межатомного расстояния. Вокруг межузельного атома в ГПУ решетках смещение соседей значительно больше, чем вокруг вакансий.

Наличие вакансий предопределяет возможность диффузии, т.е. перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояние не превышающие средние межатомные для данного металла.

Если перемещения 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.

Линейные дефекты. Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и имеют 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.

Краевые дислокации (рисунок 3.2) представляют собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызываемое наличием в ней "лишние" атомной полуплоскости или экстраплоскости.

Рис.3.2. Краевые дислокации (т –вектор  сдвига)

а - сдвиг, создавший краевую  дислокацию;

б - пространственная схема  краевой дислокации;

в, г – схемы расположения атомов у дислокации

 

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

Если экстраплоскость  образуется в верхней части кристалла  то дислокацию называют положительной  и обозначают ^,, а если в нижней – то отрицательной и обозначают Т. Различие между положительной и отрицательной чисто условное.

Знак важен при анализе  их взаимодействия. Дислокации при  приложении небольшого касательного напряжения легко перемещаются. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного притягиваются, что приводит их к взаимному уничтожению.

3.3. Модель винтовой дислокации

 

Винтовая дислокация (рисунок 3.3) как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по плоскости Q . В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация параллельна вектору сдвига. Если винтовая дислокация образована движение по часовой стрелке, ее называют правой, а против часовой стрелки – левой.

Вокруг дислокаций на протяжении нескольких межатомных расстояний возникает искажение решетки. Эта энергия искажения кристаллической решетки является одной из важнейших характеристик дислокации любого типа. Критерием этого искажения служит вектор Бюргерса b.

Вектор Бюргерса представляет собой разность параметров контуров вокруг данного атома в плоскости идеальной решетки и вокруг центра дислокаций в реальной решетке (рисунок 3.4), показывающую величину и направления сдвига в процессе скольжения. Квадрат вектора Бюргерса характеризует энергию дислокации и силы их взаимодействия. Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций. Под плотностью r дислокаций понимают суммарную длину дислокаций Sl, см, приходящих на единицу объема V кристалла, см³. Таким образом, размерность плотности дислокаций, см^-2: r = Sl/ V.

 

Дислокации присутствуют в металлических кристаллах в  огромной количестве (10⁶-10¹²) и обладают легкой подвижностью, способностью к размножению. Большое влияние на механические и многие другие свойства оказывает не только плотность, но расположение дислокаций в объеме. 
Поверхностные дефекты. Это дефекты малы только в одном измерении. Они представляют поверхность раздела между отдельными зернами или субзернами в поликристаллическом металле; к ним относятся так же дефекты упаковки.

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

Каждое зерно состоит  из отдельных субзерен, образующие так называемую субструктуру.

Субструктура 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.

Границы между отдельными кристаллами (зернами) обычно представляют переходную область шириной до 2-3 межатомных расстояний (рисунок 3.5).

Атомы в такой области  расположены иначе, чем в объеме зерна. Кроме того, по границам зерен  в технических металлах концентрируются  примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границе субзерен.

 

 

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.

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. – М.: «Дело и Сервис», 2008. – 298с.
2. Гольдштейн Я. Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. – М.: Издательский центр «Академия». – 272с.
3. Гольдштейн Я. Е., Мизин В.Г. Инокулирование железоуглеродистых расплавов. – М.: «Высшее образование». – 416с.
4. Горбацевич А.Ф., Шкред В.А., Виноградова В.М. Технология машиностроения. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. – 291с.
5. Гуляев Б.Б. Синтез сплавов. – М.: Наука, 2008. – 147с.
6. Егоров М.Е. Технология машиностроения. – М.: «ДИС», 2010. – 255 с.
7. Ершов Г.С., Позняк Л.А. Микронеоднородность металлов и славов. – М.: «Высшее образование», 2009. – 214с.
8. Ляхтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: «Высшее образование», 2010. – 310с.
9. Мещеряков Р.К. Справочник технолога-машиностроителя. – М.: «Машиностроение», 2009. – 416 с.
10. Монахов Г.А. Справочник технолога. – М.: «Высшее образование», 2010. – 689с.
11. Пилюшенко В.Л., Вихлевщук В.А., Лепорский С.В., Поживанов А.М. Научные и технологические основы микролегирования стали. – М.: «Наука», 2012. – 384с.
12. Тягунов Г.В. Повышение качества высоколегированных сталей и сплавов путем совершенствования температурных режимов их выплавки на основе исследований физико-химических свойств расплавов. – М.: «ДИС», 2011. – 47с.
13. Федоров В.Б., Шоршоров М.Х., Хакимова Д.К. Углерод и его взаимодействие с металлами. – М.: «ДИС», 2010. – 208с.