Дефекты кристаллического строения металлов и их влияние на свойства

Обновлено: 14.05.2024

Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:

· точечные – малые во всех трех измерениях;

· линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;

· поверхностные – малые в одном измерении.

Точеные дефекты

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей. (рис. 2.1.)


Рис.2.1. Точечные дефекты

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д. ), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Линейные дефекты:

Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла.

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 2.2)

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

Неполная плоскость называется экстраплоскостью.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи 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.

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).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная ( ). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.

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

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация

Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига 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.

Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.


Рис. 2.4. Механизм образования винтовой дислокации

Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.

В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.

Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.

Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м 2 , или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м 3

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 10 5 …10 7 м -2 , в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10 15 …10 16 м –2 .

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 2.5)

Рис. 2.5. Влияние плотности дислокаций на прочность

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций

Если плотность меньше значения а, 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. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм - “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10 15 …10 16 м –2 . В противном случае образуются трещины.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, 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.

Поверхностные дефекты– границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 2.6).


Рис. 2.6. Разориентация зерен и блоков в металле

Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов (

Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.

Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов ( фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.

В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса ( блочной или мозаичной.

3. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций

Методы исследования структуры металлов и сплавов:

а.Макроскопический анализ.

б.Микроскопический анализ.

в.Рентгеноструктурный анализ и рентгеновская дефектоскопия.

А.Макроскопический анализ.

Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.

Строение металлов и сплавов, видимое невооружённым глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы (до 30 раз), называется макроструктурой. Макроструктура изучается путём макроанализа.

Так как металлы -- вещества непрозрачные, то их строение изучают в изломе или специально приготовленных образцах -- макрошлифах. Образец вырезают из определённого места, в определённой плоскости в зависимости от того, что подвергают исследованию -- литьё, поковку, штамповку, прокат, сварную или термически обработанную деталь -- и что требуется выявить и изучить - первичную кристаллизацию, дефекты, нарушающие сплошность металла, неоднородность структуры….. . Поэтому образцы вырезают из одного или нескольких мест слитка, заготовки или детали как в продольном, так и в поперечном направлениях. Поверхность образца (темплета) выравнивают на наждачном круге, затем шлифуют. После шлифования темплет травят в специальных реактивах, которые по-разному растворяют структурные составляющие и растравливают дефекты.

Макроанализ шлифов выявляет различные пороки в слитках и отливках (усадочные раковины, газовые пузыри, трещины…); вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; расположение волокон в кованных и штампованных заготовках; трещины, возникающие при обработке давлением или термической обработке, дефекты в сварных швах.

Б.Микроскопический анализ.

Более тонким методом исследования структуры и пороков металлов является микроанализ, т. е. изучение структуры металлов при больших увеличениях с помощью металлографического микроскопа. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.

Металлографический микроскоп рассматривает металл в отражённом свете, чем и отличается от биологического микроскопа, где предмет рассматривается в проходящем свете. Значительно большее увеличение можно получить при помощи электронного микроскопа, в котором лучи света заменены потоком электронов (увеличение достигается при этом до 100 000 раз). Просвечивающие микроскопы. Поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Различают косвенные и прямые методы исследования.

При косвенном методе изучают не сам объект, а его отпечаток – кварцевый или угольный слепок (реплику), отображающую рельеф микрошлифа, для предупреждения вторичного излучения, искажающего картину.

При прямом методе изучают тонкие металлические фольги, толщиной до 300 нм, на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла.

Растровые микроскопы. Изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже, чем у просвечивающих микроскопов.

Для изучении микроструктуры также приготавливаются шлифы -- микрошлифы, но после шлифования дополнительно производится полирование до зеркального блеска, затем производят травление шлифа.

Микроанализ позволяет выявить:

a. величину, форму и расположение зёрен,

b. отдельные структурные составляющие сплава, на основании которых можно определить химический состав отожженных углеродистых сталей,

c. качество тепловой обработки, например, глубину проникновения закалки,

d. такие дефекты, как пережог, обезуглероживание, наличие неметаллических включений… .

Лекция 2 - 3. Дефекты кристаллического строения

В реальных металлах, применяемых в технике, кристаллические решетки имеют ряд несовершенств или дефектов, т. е. отклонения от правильного геометрического строения. Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения определённым образом сказываются на свойствах металлов. Эти дефекты по геометрическим признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные. К точечным дефектам относят вакансии и дислоцированные (межузельные) атомы.

Известно, что атомы находятся в колебательном движении около узлов решетки. Большинство атомов металла в данной решетке обладает одинаковой энергией (средней), однако отдельные атомы имеют энергию, превосходящую среднюю и могут перемещаться из одного места в другое. Такие атомы, особенно расположенные ближе к поверхности, выходят на эту поверхность, а их место могут занять атомы, находящиеся дальше от поверхности.

Освободившееся место, где находился переместившийся атом, называется вакансией (рис. 1.4, а) или дефектом Шотки. Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучении и других видах обработки. Вакансии играют важную роль в диффузионных процессах, происходящих в металлах и сплавах при повышенных температурах. Перемещение атомов какого-либо элемента в металле называется диффузией. Явление перемещения атомов элемента в его собственной решетке называется самодиффузией.

Включение в кристаллическую решетку атома другого элемента также изменяет ее совершенное строение (см. рис. 1.4, б).

Вышедший из положения равновесия атом называют дислоцированным (межузелным, рис. 1.4, в) или дефектом Френкеля. Вакансии и дислоци-рованные атомы представляют собой точечные дефекты кристаллической решетки и являются причиной ее искажения. Дислоцированный атом и вакансии не остаются неподвижными, они перемещаются по решетке.

Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки


 Рис. 1.4. Искажение кристаллической решетки около: а- вакансии; б- внедренного атома; в – дислоциро-ванного атома

Линейные дефекты называются дислокациями. Различают два вида дислокаций—краевые и винтовые. Краевая дислокация (рис. 1.5) представляет собой местное искажение кристаллической решетки; винтовая дислокация (рис.1.6) образуется при неполном сдвиге кристалла по плоскости. Дислокации образуются в процессе кристаллизации, при термической и химико-термической обработках, пластической деформации и других видах воздействий на структуру сплавов.
Рис. 1.5. Краевая дислокация Рис. 1.6. Винтовая дислокация

На свойства металлов влияет не только плотность дислокаций, но и их расположение в объеме. Поверхностные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными кристаллитами или их блоками. На границах зерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.

Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-кристаллического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов.

Наличие несовершенств (дефектов) в атомно-кристаллических решетках реальных металлов объясняет некоторые особенности их механических и физических свойств и, в частности, то обстоятельство, что реальные металлы имеют прочность, во много раз меньшую, чем они должны иметь теоретически.

Основным фактором, определяющим уровень механических свойств металлов, является количество и характер распределения дефектов кристал-лического строения. Когда их сравнительно много, появляется упрочняющее действие (рис. 1.7).


 Рис.1.7. Зависимость прочности от количества дефектов кристаллического строения

Предел прочности современных конструкционных сталей, достигнутый легированием и термической обработкой, составляет 1766…2158 МПа (180…220 кгс/мм 2 ), а нитевидных кристаллов (практически без дефектов) чистого железа равен 13106 МПа (1336 кгс/мм 2 ).

Несовершенства кристаллического строения и их влияние на свойства металлов

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:

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

Искажая кристаллическую решетку, способствуют некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление

2) Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении – дислокации.
Краевая дислокация (наличие экстраплоскости) Винтовая дислокация (сдвиг атомных слоев по плоскости)

Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплоскости (атмосферы Коттрелла).

Общее количество дислокаций в кристалле характеризуют плотностью дислокаций. Это суммарная длина линий дислокаций в единице объёма [см/см 3 ] или, что то же самое, число пересечений дислокациями единичной площадки [1/см 2 ].


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 м 2 , или как суммарная длина дислокаций в 1 м 3 . При плотности дислокаций более 10 12 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.

НАКЛЁП и РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

ДЕФОРМАЦИЕЙ называется изменение размеров или формы тела под действием внешних сил, либо физико-механических процессов, протекающих в самом теле (перепад температур, фазовые превращения т.д.).

Деформация тела совершается в результате относительного смещения атомов из положений равновесия.

При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смещениями атомов. После снятия внешних сил твердое тело восстанавливает свои исходные размеры и форму.

Если при прекращении действия внешних сил твердое не полностью восстанавливается, то такая деформация называется пластической (остаточной). В этом случае атомы не возвращаются в исходные позиции, а занимают новые положения устойчивого равновесия.

При деформировании происходит упрочнение (НАКЛЕП) и снижение пластичности металла за счет роста числа дефектов кристаллической решетки, искривления плоскостей скольжения, появления обломков кристаллитов в плоскостях скольжения, структурных превращений по плоскостям скольжения. Все это препятствует перемещению дислокаций, способствует их накапливанию и взаимодействию друг с другом. При этом происходит изменением формы зерен и образованием волокнистой структуры с преимущественной ориентировкой кристаллов (совпадающей с направлением «течения» металла, т. е. с направлением приложения нагрузки)


 деформация

Состояние деформированного (наклепанного) металла является термодинамически неустойчивым, поэтому даже незначительный нагрев приводит к изменению структуры и свойств деформированного металла. В результате достигается уровень всех свойств металла, имевший место до деформации.


Нагрев деформированного металла до относительно невысоких температур, инициирует процесс ВОЗВРАТА, в результате которого изменяются тонкая структура и свойства деформированного металла без изменения его микроструктуры, вытянутая форма зерен сохраняется. В процессе возврата комплекс механических свойств, как правило, практически не изменяется.

При дальнейшем нагреве протекает процесс РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ – образование новых равноосных зерен


Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве:

а – исходный наклепанный металл; б – начало первичной рекристаллизации;

в – завершение первичной рекристаллизации; г – рост зерен при собирательной рекристаллизации;

д – образование равновесной структуры при вторичной рекристаллизации

В зависимости от температуры нагрева различают первичную, вторичную и собирательную рекристаллизации.

Первичной рекристаллизациейназывается процесс зарождения и роста новых равноосных зерен (протекает в интервале от т.1 до т.2 – см. рис. 2). При первичной рекристаллизации старые зерна наклепанного металла не восстанавливаются, а образуются новые зерна округлой формы вместо ориентированной структуры деформации (рис. 3, а, б, в).В результате рекристаллизации практически полностью снимается наклеп, свойства рекристаллизованного металла становятся сопоставимыми со свойствами отожженного металла.

Наименьшую температуру рекристаллизации Трекр, при которой начинается заметное изменение структуры и разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации. Температура рекристаллизации материала Трекр зависит от его температуры плавления Тпл:

где a-коэффициент, зависящий от степени чистоты металла.

для химически чистых металлов a=0,1-0,2

для технически чистых металлов a=0,3-0,4;

для сплавов a=0,5-0,6

Тпл и Трекр – температуры плавления и рекристаллизации, выраженные в градусах Кельвина.

После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других, т. е. имеет место собирательная рекристаллизация(рис. 3, г).Рост зерен происходит в результате перехода атомов одного зерна к другому (соседнему) через границу раздела. Возникшая разнозернистость структуры отрицательно сказывается на всех механических свойствах металла.

Вторичная рекристаллизация сопровождается быстрым ростом новых зерен, имеющих предпочтительные условия для роста, в результате чего образуются аномально большие зерна. Вторичная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов.

Поэтому на практике надо избегать условий протекания собирательной и вторичной рекристаллизации.

Для восстановления пластичности металла необходимо произвести нагрев (рекристаллизационный отжиг) на температуру немного превышающую порог рекристаллизации Трекр, чтобы не произошел процесс собирательной и вторичной рекристаллизации, при которых происходит ухудшение свойств.

Сравнивая температуры деформации и рекристаллизации, можно говорить о горячей или холодной деформации.

Если температура деформации ниже температуры рекристаллизации, то деформация считается холодной. При этом протекает только процесс упрочнения (наклепа). Если между операциями деформирования не производить рекристаллизационного отжига, то возможно образование трещин и разрушение материала.

Если температура деформации выше температуры рекристаллизации, то деформацию называют горячей. В этом случае одновремекнно протекают два процесса: наклеп и рекристаллизация.

Например, деформация свинца при комнатной температуре является горячей деформацией: Трекр = 0,4 (327 + 273) = 240 К, тогда Трекр = (240 – 273) = -33 °С.

Для железа деформирование при t = 300…400 °C является холодной обработкой давлением, так как температура начала рекристаллизации железа равна 450 °С.

Для алюминия порог рекристаллизации составляет

где α=0,3-0,4 – коэффициент для технически чистого металла,

tпл= 660 °С – температура плавления алюминия

Читайте также: