Дефекты кристаллического строения металлов

В реальных металлических кристаллах идеальное расположение атомов нарушено, т.е. в кристалле имеется значительное число дефектов.

Нали­чие дефектов в кристаллах очень сильно влияет на их свойства. Дефекты в кристаллах обычно характеризуют размерностью.

По этому признаку дефекты делят на че­тыре группы: точечные, линейные, поверхностные и объ­емные.

Первый, наиболее распространенный тип точечного дефекта в кристалле — это узел решетки, в котором от­сутствует атом или ион. Такой дефект называется вакан­сией. Другим точечным дефектом является межузельный атом(внедренный или дислоцированный атом). Такой дефект возникает при смещении атома или иона в положение, которое не яв­ляется узлом решетки. Вакансии в принципе могут встре­чаться в любых типах решетки, в то время как межузельные атомы легче возникают в решетках менее плотноупакованных. Поэтому в ГЦК металлах, являю­щихся в обычных условиях плотноупакованными, межузельные атомы встречаются редко. При нормальных температурах (комнатных) в хорошо отожженных металлах, т.е. приведенных к равновесным условиям, в ГЦК металлах в качестве межузельных атомов могут встречаться лишь атомы, характеризующиеся малыми размерами, т. е. атомы углерода, азота, водорода. В ГЦК решетке они занимают либо тетраэдрические междоуз­лия с координатами типа (1/4, 1/4, 1/4), либо несколько более просторные октаэдрические междоузлия типа (1/2, 1/2, 1/2) (рис. 4). В ОЦК решетках межузельные атомы также могут встречаться в тетраэдрических пустотах типа (1/2, 1/4, 0) или октаэдрических пустотах типа (1/2, 1/2, 0) и (1/2, 0, 0) (рис. 5).

Рис. 4. Положение междоузлий в ГЦК решетке:

а -одна из возможных тетраэдрических пустот; б – октаэдрическая пустота; 1 - атомы металла

в узлах кристаллической ячейки; 2 - атомы в пустотах

Рис. 5. Положение междоузлий в ОЦК решетке:

1- одна из октаэдрических пустот; 2 – одна из тетрагональных пустот;

3 - атомы металла в узлах кристаллической ячейки

Для образования точечных и других дефектов в кри­сталлической решетке требуется затрата энергии. Так для образования вакансии в ГЦК решетке меди требу­ется энергия около 1 эВ, а для образования межузельного атома примерно 2,5…3 эВ. Концентрация вакансий и межузельных атомов зависит от температуры и с по­вышением температуры растет.

Температурная зависимость концентрации дефектов

C = n/N, (2)

где N - общее число атомов,

п - число сме­щенных, или дислоцированных атомов или вакансий)

описывается выражением:

c =Ae^-U/kT, (3)

где U - энергия образования дефекта;

А - константа порядка единицы;

k - постоянная Больцмана, равная 1,38^.10^-23 Дж/°С;

Т - температура, К.

При изменении температуры от комнатной до темпе­ратуры плавления, концентрация вакансий увеличивает­ся на много порядков (10…12) и при температуре близкой к температуре плавления достигает ~ 1 %, количество же меж­узельных атомов растет с температурой относительно еще быстрее (по сравнению с их числом при комнатной температуре), хотя при любой температуре их число остается значительно меньшим, по сравнению с числом вакансий. Точечные дефекты могут объединяться в пары или более крупные комплексы. Точечные дефекты не являются неподвижными образованиями, они могут пе­ремещаться в кристалле, особенно при повышенных тем­пературах. С движением вакансий и межузельных ато­мов неразрывно связаны процессы диффузии и само­диффузии, которые несколько подробнее будут рассмотрены далее.

Второй тип дефектов - это линейные дефекты, назы­ваемые дислокациями. Первоначально гипотеза о суще­ствовании дислокаций была введена в 1934 г. Орованом, Поляни и Тейлором для того, чтобы объяснить различие между теоретически рассчитанной и действительно на­блюдаемой прочностью кристаллов. В настоящее время благодаря электронномикроскопическим, рентгеновским и другим методам исследований получено огромное ко­личество экспериментальных подтверждений реальности существования этих линейных дефектов. Уста­новлено, также, что они оказывают огромное влияние на все свойства кристаллов.

Рис. 6. Различные схемы краевой дислокации

(на рис. б видна вставленная полуплоскость)

Различают два основных типа дислокаций - краевые и винтовые.

Дислокации обоих типов образуются путем сдвигов отдельных участков кристалла, приводящих к нарушению идеальности кристаллической решетки.

Простую модель дислокации можно представить, разре­зав кусок упругого твердого тела вдоль линии АВ (рис. 6, а) и сдвинув одну часть относительно другой на одно межатомное расстояние так, что в кристалле образуется ступенька высотой в одно межатомное расстояние. Более общее определение дислокации такое: дислокацией на­зывается линейный дефект(несовершенство), образую­щий внутри кристалла границузоны сдвига. Краевую дислокацию можно представить и как лишнюю полу­плоскость, вставленную в кристалл (рис. 6, б). Лишняя полуплоскость может находиться как ниже, так и выше плоскости сдвига. В первом случае дислокацию условно принято называть положительной, во втором - отрица­тельной. Для более точной характеристики дислокаций вводится понятие вектора Бюргерса, т. е. вектора, кото­рый показывает направление сдвига и его величину. Для краевой дислокации вектор Бюргерса перпендику­лярен линии дислокации, величина его равна межатом­ному расстоянию в направлении сдвига.

Для второго типа дислокаций - винтовых линия дислокации и вектор Бюргер­са параллельны (рис. 7).

В случае винтовой дислокации лишней полуплоскости нет, и при введении винтовой дислокации в кристалл его решетка видоизменяется так, что система дискретных плоскостей превращается в не­прерывную геликоидальную поверхность.

Рис. 7. Схема винтовой дислокации

Как несвязанные с отдельной плоскостью и характеризую­щиеся меньшими искажениями, винтовые дислокации более подвижны, они могут легко переходить из одной плоскости в другую.

Винтовые дислокации могут быть правовинтовые и левовинтовые.

При образовании винтовой дислокации сдвиг кристалла вдоль линии дислокации осуществляет­ся вверх или вниз на одно межатомное расстояние.

Наличие дислокаций в кристалле приводит к упруго­му искажению кристаллической решетки.

При наличии отрицательной краевой дислокации атомы, расположен­ные выше плоскости скольжения упруго растянуты, а ни­же - сжаты (и, наоборот - в случае положительной ди­слокации). Поэтому энергия кристалла с дислокациями выше энергии бездефектного кристалла. Под действием приложенных внешних сил дислокации движутся в кри­сталлах, взаимодействуют друг с другом и другими де­фектами (точечными, плоскими). Дислокации противо­положного знака притягиваются друг к другу, а одинакового - оттал­киваются.

В участки кристалла вблизи краевых дислокаций, где решетка растянута, легко перемещаются вакансии и межузельные атомы, образуя скопления примесных атомов, называемых облаками Коттрелла.

Из описанного выше механизма образования дисло­каций как сдвиговых дефектов не следует, что они образуются только при деформации. Они могут образоваться и при кристаллизации, в процессе сращивания границ зерен, при образовании ступенек на поверхности роста кристаллов и т. п.

Дислокационная структура кристаллов количественно характеризуется плотностью дислокаций

(4)

где Sl_д – суммарная длина дислокаций, см;

V_кр – объём кристалла, см³.

Плотность дислокаций в отожженных кристаллах колеблется от 10⁵ до 10⁷ см^-2, а в деформированных может достигать 10¹³ см^-2.

Третий тип дефектов - плоские. Одним из наиболее распространенных плоских дефектов являются дефекты упаковки.

В ГЦК кристаллах наиболее плотноупакованной плоскостью является плоскость (111). Атомы в ней рас­положены таким образом, что слои атомов, чередуются в последовательности АВСАВС... (рис. 8).

Рис. 8. Последовательность чередования слоев атомов в ГЦК решетке

Если одну плотноупакованную плоскость удалить, например слой обозначенный на рисунке буквами С, тогда последова­тельность чередования слоев будет АВС АВАВ АВС. В месте чередования плоскостей АВАВ образуется де­фект упаковки, называемый дефектом типа вычитания. Если же вместо обычной укладки слоев добавить лиш­нюю плотноупакованную плоскость, чтобы чередование было АВС АА ВС..., то получится дефект упаковки типа внедрения. Как и дислокации, дефекты упаковки играют важную роль в деформации кристаллов.

Рис. 9. Схема образования двойников в ГЦК кристалле:

1 - положение атомов до двойникования; 2 - совпадающее положение атомов;

3 - двойниковое положение атомов

Другая разновидность плоских дефектов - двойники. Двойником называется часть кристалла, в которой кри­сталлическое строение является зеркальным отражением остальной части кристалла (рис. 9). Двойники могут появляться при деформации, кристаллизации, отжиге деформированных кристаллов и других процессах. В от­личие от дислокаций (когда смещение соседних плоско­стей друг относительно друга происходит на величины кратные вектору трансляции решетки), при двойниковании сдвиг соседних плоскостей происходит на расстоя­ния меньшие вектора трансляции решетки, но он после­довательно накапливается в соседних плоскостях. Плос­кость симметрии, связывающая две зеркально симметричные части кристалла, называется плоскостью двойникования – например, плоскость (111) на рис. 9.

Еще одним видом плоских дефектов являются дисло­кационные стенки. Дислокационная стенка — это скоп­ление дислокаций одного знака в плоскости (плоская стенка), или вдоль определенной поверхности (так на­зываемые границы кручения).

Объемные дефекты (трехмерные) — это поры, тре­щины, усадочные раковины и т. п. Они имеют значитель­ную по сравнению с атомами протяженность во всех трех направлениях кристалла. Трехмерные дефекты об­разуются как в процессе кристаллизации, так и при фа­зовых превращениях, деформации и других процессах.

Поверхностные и плоские дефекты связаны с нали­чием границ зерениблоков в металлах. Реальные поли­кристаллические материалы состоят из большого числа кристаллов - зерен, размер которых может изменяться,как правило, от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров. В свою очередь каждое зерно не является идеальным кристаллом, а состоит из отдельных фрагментов (бло­ков или субзерен), размер которых примерно в тысячу раз меньше раз­мера зерна. Эти блоки повернуты друг относительно друга на очень небольшую величину (от нескольких уг­ловых секунд до нескольких минут). В пределах каждо­го блока решетка почти идеальна, но разворот одного блока относительно другого обусловлен наличием дисло­каций, а именно дислокационными стенками. Эти блоки образуются в кристалле в процессе кристаллизации или рекристаллизации и оказывают существенное влияние на многие свойства кристаллов, особенно механические.

Границы между отдельными блоками (малоугловые границы) являются переход­ными областями, в которых ориентировка одной части кристалла переходит в ориентировку другой части кристалла. Множество блоков слегка повернутых друг относительно друга на доли градуса в одном зерне образуют структуру, которая называется мозаичной или субструктурой. Гораздо большая разориентировка кристаллических решеток наблюдается по границам зерен. Здесь разориентировка достигает по­рядка 1 - 5°.

Границы зерен (большеугловые границы) представляют собой широкую (по сравнению с блочными границами) область, которая также состоит из дислокаций, точечных дефектов, при­месей. По границам зерен наряду с плоскими дефектами могут существовать и объемные дефекты.