Дефекты кристаллического строения металлов влияние их на свойства

Обновлено: 18.05.2024

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… .

Дефекты кристаллического строения металлов (дислокация) и их влияние на прочность.


В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Де­фекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные.
Атомы совершают колебательные движений возле узлов решетки, и с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинако­вой амплитудой. Однако отдельные атомы обла­дают энергией, значительно большей средней энер­гии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверх­ностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 2, а).

Рис. 2. Дефекты в кристаллах:
а - вакансия, б — внедренный атом, в краевая линейная дислокация, г - неправильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2
На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением температуры ко­личество вакансий увеличивается и они чаще пе­ремещаются из одного узла в другой. В диффу­зионных процессах, протекающих в металлах, ва­кансии играют определяющую роль. К точеч­ным дефектам относят также атом, внед­ренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 2, б), и замещенный атом, когда место ато­ма одного металла замещается в кристалличес­кой решетке другим, чужеродным атомом. Точеч­ные дефекты вызывают местное искажение кри­сталлической решетки.
Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристалличе­ской решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лиш­няя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направле­нию сдвига, называется краевой, или линейной, дислокацией (рис. 2, в), длина которой мо­жет достигать многих тысяч межатомных рас­стояний. Шириной дислокации считают расстоя­ние от центра дефекта до места решетки без ис­кажения. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний.
Кристаллическая решетка в зоне дислокации упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состоя­ния. Для дислокации характерна их легкая по­движность. Это объясняется тем, что атомы, об­разующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуют­ся в процессе кристаллизации металлов (см. гл.1, § 2), а также при пластической деформа­ции, термической обработке и других процессах.
Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кри­сталлами (рис. 2, г). На границе раздела атомы кристалла расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше наpyшает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на де­сятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристалли­ческой решетки вблизи границ, либо уменьшать­ся из-за наличия примесей и концентрации де­фектов. Дефекты в кристаллах существенно вли­яют на свойства металлов.

Анизотропия кристаллов. Неодинаковость фи­зических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кри­сталлов обусловлена различаем плотности упа­ковки атомов в решетке в различных направле­ниях. Все кристаллы анизотропны, а аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т. е. имеют оди­наковую плотность атомов в различных направ­лениях.
Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов — одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы имеют правильную кристаллическую огранку (в форме ес­тественных многогранников), анизотропны по ме­ханическим, электрическим и другим физическим свойствам.
Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т. е. состоят из множества мел­ких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами (или зернами). В каждом зерне поликристалла наблюдается анизотропия. Однако вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки кристаллографиче­ских плоскостей в различных зернах поликристалл может иметь одинаковые свойства по раз­ным направлениям и не обнаруживать анизотро­пию (когда размеры зерен значительно меньше размеров пол и кристалла и количество их весьма велико). Это обстоятельство во многих случаях позволяет рассматривать поликристаллическое тело как подобное изотропному, несмотря на ани­зотропию свойств отдельных составляющих его зерен.
9 Упругая и пластическая деформация.

Деформация – это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация – это деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое смещение атомов.

При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость.

Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла.

Материалы, которые имеют повышенную пластичность, менее чувствительны к концентраторам напряжений. Для этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

Физическая природа деформации металлов

Под действием напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений.

Упругая – это такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла.

С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие касательные напряжения.

Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется упругая составляющая деформации. Часть деформации, которую называют пластической, остается.

При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, скольжение в них происходит во многих направлениях.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой, оно осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через кристалл приводит к смещению соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька.

Дефекты кристаллического строения

В реальных кристаллах нет идеально правильного расположения атомов во всём объёме кристалла. Всегда имеются нарушения правильности расположения атомов. Эти нарушения называются дефектами кристаллического строения (ДКС). Они делятся на: 1) точечные; 2) линейные; 3) поверхностные.

Точечные дефекты

Размеры точечного дефекта близки к межатомному расстоянию. К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы. Вакансиями называют узлы кристаллической решётки, в которых отсутствуют атомы. Межузельным называется атом, расположенный между узлами кристаллической решётки (рис. 1.4).


а) б) в)

Рис. 1.4. Точечные дефекты:

а – вакансия; б – схема перемещения вакансии по кристаллу;

в – межузельный атом

Вакансии чаще всего образуются при переходе атомов из узла решётки на поверхность и реже в результате их перехода в междоузлие. Точечные дефекты возникают в результате теплового движения атомов. При любой температуре всегда имеются атомы, у которых кинетическая энергия больше среднего для данной температуры значения. Эти атомы могут преодолеть потенциальный барьер, создаваемый соседними атомами, и выйти из своего узла на поверхность или в междоузлие. В плотноупакованных решётках вакансий гораздо больше, чем межузельных атомов. Вакансии легко перемещаются по кристаллу. Чем выше температура, тем больше количество вакансий и меньше время нахождения их в одном узле решётки. При температуре, близкой к температуре плавления (tпл), количество вакансий может достигнуть ~1 % по отношению к числу атомов в кристалле. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решётки [2].

Линейные дефекты

Основным видом линейных ДКС являются дислокации. Они бывают краевые и винтовые.

Мысленно надрежем идеальный кристалл и в образовавшуюся щель вставим дополнительную атомную полуплоскость (экстраплоскость). Такой «клин» искажает кристаллическую решетку. Это искажение особенно значительно у края экстраплоскости. Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называют краевой дислокацией (рис. 1.5).


Рис. 1.5. Краевая дислокация (а) и расположение атомов

в области дислокации (б)

Вокруг дислокации решётка упруго искажена. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают , если в нижней – то отрицательной и обозначают . В поперечном сечении кристалла нарушение в правильности расположения атомов, вызванные дислокацией, распространяются на несколько периодов решётки, а в направлении, перпендикулярном сечению, на многие тысячи межатомных расстояний.

Дислокации при приложении небольшого касательного усилия легко перемещаются. Экстраплоскость в результате незначительного смещения перейдёт в полную плоскость кристалла, а её функции будет выполнять соседняя плоскость. Дислокации одинакового знака отталкиваются, а разного знака притягиваются. Дислокации возникают в процессе кристаллизации, пластической деформации и т.п. Они оказывают большое влияние на свойства металлов [2].

Плотностью дислокаций называют суммарную длину дислокаций Sl в единице объёма V:

У отожженных металлов r =10 6 …10 8 см –2 . После большой холодной пластической деформации r=10 11 …10 12 см –2 . Попытка увеличить плотность дислокаций свыше 10 11 …10 12 см –2 приводит к появлению трещин и разрушению металла.

Особенно велико влияние дислокаций на прочность металлов. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженными металлами [3].

Поверхностные дефекты

К поверхностным ДКС относятся: 1) границы зёрен; 2) границы субзёрен.

Поликристалл содержит огромное число мелких зёрен. Границы зёрен представляют собой переходную область, в которой кристаллическая решётка одного зерна с определённой ориентировкой в пространстве плавно переходит в решётку другого зерна с иной ориентировкой (рис. 1.6, а).


Рис. 1.6. Поверхностные дефекты:

а – большеугловая граница (q – угол разориентировки);

б – малоугловая граница

Граница между зёрнами имеет ширину 1…5 нм. На границе нарушена правильность расположения атомов. Границы зёрен называют большеугловыми, так как кристаллографические направления в соседних зёрнах образуют углы (q), достигающие десятков градусов.

Каждое зерно металла состоит из отдельных блоков или субзёрен. Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, в которой отсутствуют дислокации. Малоугловая граница между субзёрнами представляет собой стенку дислокаций (рис. 1.6, б).

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства металлов. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения.

Строение сплавов

Сплавы – материалы, содержащие не менее двух элементов. Сплавы получают в результате сплавления, спекания, плазменного напыления, электролиза и т.п. Они имеют более сложное строение. В славах элементы могут по-разному взаимодействовать между собой, образуя различные фазы. Фазой называется однородная обособленная часть сплава, имеющая одинаковый состав, строение и свойства.

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия могут образовываться следующие фазы: 1) жидкие растворы; 2) твёрдые растворы; 3) химические соединения; 4) промежуточные фазы, которые имеют признаки как твердых растворов, так и химических соединений.

Твёрдыми растворами называют фазы, в которых атомы одного элемента располагаются внутри кристаллической решётки другого элемента, не изменяя типа кристаллической решётки. Элемент, решётка которого сохраняется в твёрдом растворе, называется растворителем, а другой – растворимым.

Различают твёрдые растворы замещения (рис. 1.7, а) и внедрения (1.7, б). При образовании твёрдых растворов замещения атомы растворённого элемента замещают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решётки.


Рис. 1.7. Схема твёрдого раствора замещения (а) и внедрения (б)

Атомы растворённого элемента могут замещать любые узлы решётки растворителя. Твёрдые растворы замещения образуют элементы, атомные радиусы которых отличаются не более чем на 15 %.

Растворимость элементов в твёрдом растворе уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах сплавляемых элементов и их валентности. При образовании твёрдых растворов замещения возможна и неограниченная растворимость. Это происходит, когда при любом соотношении сплавляемых элементов все разнородные атомы размещаются в узлах общей пространственной решётки (например: медь с золотом, медь с никелем, германий с кремнием.)

Многие твёрдые растворы замещения могут находиться в упорядоченном состоянии, то есть атомы растворителя и растворённого элемента занимают определённые узлы кристаллической решётки. Такие растворы называют упорядоченными или «сверхструктурами».

В твёрдых растворах внедрения атомы растворенного элемента располагаются в междуузлиях, то есть в порах. Такие растворы образуют переходные металлы с неметаллами, имеющими небольшой атомный радиус (Н, N, C, B).

Твёрдые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость. Если растворитель имеет ГЦК или ГПУ решётку, то растворимость больше, так как в этих решётках радиус поры =0,41R, где R – радиус атома растворителя. В ОЦК решётке растворимость путём внедрения мала, так как размер пор не превосходит 0,29R.

Образование твёрдых растворов приводит к искажению кристаллической решётки, причем для твёрдых растворов внедрения это искажение больше. Искажение кристаллической решётки делает сплавы более прочными по сравнению с чистыми металлами, но при этом сплавы сохраняют достаточно высокую пластичность. Твёрдые растворы являются основой большинства промышленных сплавов [3].

Химические соединения

Химические соединения, встречающиеся в металлических сплавах, очень разнообразны. Они отличаются от твёрдых растворов следующими признаками: 1) имеют строго определённый состав и химическую формулу AmBn , где А и В – соответствующие элементы, n и m – простые числа; 2) кристаллическая решётка химического соединения отличается от решёток компонентов, образующих соединения; 3) свойства химических соединений сильно отличаются от свойств образующих элементов; 4) они имеют постоянную температуру плавления; 5) образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

В отличие от твёрдых растворов химические соединения обычно образуются между элементами, которые имеют большое различие в строении атомов и кристаллических решёток.

Наилучшие механические свойства имеют те сплавы, основой которых являются твёрдые растворы с залегающими в них мелкодисперсными твердыми частицами химических соединений или промежуточных фаз. Чем больше в сплаве таких частиц, тем выше его твёрдость и прочность, но ниже пластичность и вязкость.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. При кристаллизации система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Изменение свободных энергий жидкого Fж и твердого Fтв металла зависит от температуры (рис. 2.1).

Выше температуры Т0 более устойчив жидкий металл. Он имеет меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры более устойчив твердый металл. Температуру Т0 называют равновесной температурой кристаллизации. При этой температуре одновременно могут сосуществовать жидкая и твердая фаза.


Рис. 2.1. Изменение свободных энергий F жидкого и твёрдого

металла с температурой

Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Он может протекать только при переохлаждении металла ниже Т0. Разность между температурами Т0 и Тк называется степенью переохлаждения

Кривые охлаждения, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, показаны на рис. 2.2.


Рис. 2.2. Кривые охлаждения металла

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения DТ небольшая и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной Т0. С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает. При затвердевании очень чистых металлов степень переохлаждения может быть большой, но для технически чистых она не превышает 10…30 °С.

При температуре кристаллизации наблюдается горизонтальная площадка (остановка падения температуры). Образование ее объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации.

Процесс кристаллизации начинается с образования внутри жидкой фазы кристаллических зародышей, которые являются центрами кристаллизации. Затем происходит рост зародышей.

Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кристаллы, получившие название дендритов. При образовании кристаллов их развитие идет в направлении, перпендикулярном к плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов. Сначала образуются длинные ветви, которые называют осями первого порядка. Одновременно с удлинением осей первого порядка перпендикулярно к ним начинают расти оси второго порядка. На осях второго порядка растут оси третьего порядка и т.д. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендритов (рис. 2.3).

Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом. Затем заполняются межосные пространства. Дендриты превращаются в кристаллы неправильной формы, которые называют кристаллитами или зернами.


Рис. 2.3. Схема строения дентдрита (а) и вид дендритной структуры на шлифе (б)

Кристаллизация характеризуется двумя параметрами: ЧЦ – число зародышевых центров, которые возникли в единице объема жидкого металла за единицу времени; СР – скорость роста, то есть путь, проходимый растущей гранью кристалла за единицу времени.

Зародыши могут образовываться как в определенных объемах жидкости, так и на посторонних твердых частицах, присутствующих в жидком металле.

Первый способ образования зародышевых центров называется самопроизвольным, а второй – несамопроизвольным.

В жидком состоянии атомы беспорядочно перемещаются вследствие теплового движения. Но в жидкости есть небольшие группировки атомов с таким расположением, как в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы – они распадаются и появляются снова. При переохлаждении наиболее крупные из них становятся устойчивыми и способными к росту. Эти группировки являются зародышевыми центрами при самопроизвольной кристаллизации. Но самопроизвольное зарождение кристаллов в жидком металле затруднено.

Чаще зародышевые центры образуются на посторонних твердых частицах, присутствующих в жидком металле.

Размер зерен при затвердевании определяется соотношением количества возникающих зародышей и скорости их роста. Чем больше ЧЦ и меньше СР, тем мельче образовавшиеся кристаллы. Оба параметра связаны с перемещением атомов и поэтому зависят от температуры.

При небольших степенях переохлаждения количество зародышевых центров мало. В результате затвердевания формируется крупнозернистая структура. С увеличением степени переохлаждения число зародышевых центров растет более интенсивно по сравнению со скоростью роста. Поэтому получаются более мелкие кристаллы. Следовательно, чем больше скорость охлаждения при кристаллизации, тем мельче получается зерно. Для получения мелкого зерна в жидкий металл часто вводят специальные примеси. Этот процесс называют модифицированием [1].

Основные виды дефектов структуры и их влияние на свойства металлов и сплавов. Основные виды дефектов структуры и их влияние на свойства металл. Основные виды дефектов структуры и их влияние на свойства металлов и сплавов


Единственный в мире Музей Смайликов

Самая яркая достопримечательность Крыма


Курсовая работа по дисциплине «Материаловедение»
на тему:
Основные виды дефектов структуры и их влияние на свойства металлов и
сплавов.
Автор: студент группы
Преподаватель:.
Москва, 2020 г.


2
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. План-задание…………………………………………………………………………………………..стр.3 2.Введение…………………………………………………………………………………………. стр.4 3. Дефекты кристаллического строения ……………………………………………………………….стр.5 3.1. Точечные дефекты………………………………………………………………………………. стр.6 3.2. Линейные дефекты………………………………………………………………………………..стр.8 3.3.Поверхностные дефекты……………………………………………………………………. стр.9 4. Факторы, определяющие число дефектов………………………………………………………. стр.12 4.1. Образование дефектов…………………………………………………………………………..стр.12 4.2. Концентрация и плотность дефектов …………………………………………………………стр.16 5. Механизм влияния дефектов на свойства………………………………………………………. стр.18 5.1. Перемещение дефектов…………………………………………………………………. стр.18 5.2. Взаимодействие дефектов друг с другом…………………………………………………. стр.21 6. Изменение свойств при изменении числа дефектов…………………………………..…………стр.24 7. Способы влияния на плотность дефектов………………………………………………………. стр.27 8.Заключение…………………………………………………………………………………………..стр.29 9.Список использованных источников ……………………………………………………………. стр.30


3
1. ПЛАН-ЗАДАНИЕ.
Тема: Основные виды дефектов и их влияние на свойства металлов и сплавов.
1. Виды дефектов.
2. Точечные дефекты.
3. Линейные дефекты.
4. Поверхностные дефекты.
5. Факторы, определяющие число дефектов.
6. Механизм влияния дефектов на свойства.
7. Изменение свойств при изменении числа дефектов.
8. Способы влияния на плотность дефектов.


4
2. ВВЕДЕНИЕ.
Большую роль в развитии авиационной и ракетно-космической техники играет создание материалов с уникальными и новыми свойствами. В настоящее время требуются материалы, которые способны обеспечить работоспособность техники и конструкций в совершенно разных и экстремальных условиях эксплуатации. Решение многих технических проблем, связанных с уменьшением массы машин и приборов, повышением их надёжности, качества и работоспособности, а так же совершенствования технологии производства во многом зависит от совершенствования материалов.
Для их разработки проводится огромное количество исследований, направленных на изучение структуры, свойств, состояния поверхности металла, а так же методов управления структурой и свойствами металлических материалов.
Каждый металл или металлический сплав подвергается тепловому и механическому воздействию, а значит, меняет свою структуру и свойства. В ходе этих изменений в кристаллической решетке металлов появляются несовершенства или дефекты. Они существенно снижают технологические свойства металла в условиях его обработки и эксплуатационную стойкость.
Исследование дефектов на различных «надмолекулярных» уровнях строения является ключевым моментом в направленном контроле свойств функциональных материалов, как существующих, так и еще не открытых. В связи с этим в задачи установления причин неудовлетворительного качества металлопродукции входит не только выявление дефектов, но и установление их природы и механизма и причин возникновения.
Целью данной работы будет рассмотрение и изучение дефектов кристаллического строения, а так же влияния тех или иных нарушений кристаллической решетки на свойства и характеристики металла.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
• Рассмотрена информация о дефектах и их классификации;
• Рассмотрены факторы, влияющие на появление и свойства дефектов;
• Рассмотрены механизмы влияния дефектов на свойства и характеристики металлов.
• Рассмотрено влияние на свойства материала при изменении числа дефектов.
• Рассмотрены способы влияния на плотность дефектов.


5
3.ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ.
Все металлы и металлические сплавы имеют кристаллическое строение. Их атомы расположены закономерно. Другими словами, полученные при обычных условиях металлы— это поликристаллические тела, то есть они состоят из большого количества мелких кристаллов, которые различно ориентированы по отношению друг к другу и приобретают неправильную форму при кристаллизации. [1,6]
Любой реальный кристалл имеет значительное количество структурных несовершенств или дефектов, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на физические, механические, химические, технологические свойства металла. Дефекты кристаллического строения- это энергетически возбужденные состояния кристаллической решетки, которые связанны с нарушениями идеального периодического строения решетки и отклонения её строения от совершенной структуры. [6]
Основная причина возникновения дефектов строения— тепловые колебания в узлах кристаллической решетки отдельных атомов в процессе кристаллизации, а также наличие примесей, результат механических, тепловых воздействий и магнитных или электрических полей. [2]
Для лучшего понимания вопросов связанных с дефектами кристаллической решетки, следует рассмотреть классификацию важнейших видов дефектов строения поликристаллического металла.
Классификация дефектов.
Существует несколько способов классификации дефектов:
1) Деление дефектов на собственные и несобственные или примесные.
Примесные дефекты, как следует из названия, обусловлены присутствием чужеродных атомов или молекул.
Собственные дефекты не меняют качественного состава кристалла (меняться может лишь количественный состав). Они возникают из-за влияния температуры, механических и других видов воздействия на твердую фазу. [3]
2) Деление на равновесные и неравновесные (рассмотрение дефектов с позиций равновесия в системе).
Равновесными называются дефекты, находящиеся в термодинамическом равновесии со структурой. Концентрация равновесных дефектов кристалла зависит от температуры. При ее повышении концентрация таких дефектов возрастает, а при ее снижении, соответственно, уменьшается. Причем при возвращении кристалла в исходное состояние, то есть к исходной температуре, концентрация в точности будет соответствовать исходной. [3]


6
Неравновесными называются дефекты, не находящиеся в равновесии со структурой и имеющие вследствие этого высокие значения энергии образования. Неравновесные дефекты тоже подвержены влиянию температуры. Например, если выдерживать кристалл с дефектами при постоянной (обычно, повышенной) температуре длительное время, концентрация неравновесных дефектов уменьшается.
Это происходит за счет возрастания их подвижности. При возвращении кристалла к исходной температуре концентрация таких дефектов не восстанавливается. Это значит, что отсутствует прямая связь концентрации дефектов с температурой, которая имеет место в случае равновесных дефектов.
[3]
Малая подвижность и большое время жизни дефектов структуры позволяют классифицировать их по чисто геометрическому признаку, а именно по числу измерений, в которых качественные нарушения структуры кристалла простираются на расстояния: [7]
Нульмерные (точечные) дефекты—характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Их размеры соизмеримы с размерами атомов.
Одномерные (линейные) дефекты— малы в двух направлениях, а в третьем направлении они соизмеримы с длиной кристалла.
Двумерные (поверхностные) дефекты— обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью всего в нескольких межатомных расстояниях в третьем измерении.
Трехмерные (объемные) дефекты— имеют размеры в трех измерениях (макродефекты), например: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины и т. д. Эти дефекты снижают прочность металла. [5]
3.1. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ .
Точечный дефект — это нарушение кристаллической структуры, размеры которого во всех трех измерениях сравнимы с одним или несколькими (очень малыми) междуатомными расстояниями.
Дефекты данного вида могут иметь простую или сложную структуру. К простейшим точечным дефектам кристалла относятся: [7]
1) Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин (рис.1.а). Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться и объединяться в дивакансии, тривакансии, вакансионные тетраэдры.
Скопления многих вакансий — кластеры — образуют поры, пустоты. [7]
Рис. 1. Точечные дефекты а- вакансия; б- примесный атом; в- дислоцированный атом


7 2) 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, но преимущественно в таких микропорах, где для них имеется достаточно свободного пространства. (рис.1. б). [7]
3) Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие
(рис.1. в). Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия. [7]
Отличительной особенностью точечных дефектов является то обстоятельство, что их трудно наблюдать непосредственно. Поэтому обнаруживать и изучать их приходится в основном по тому влиянию, которое они оказывают на физические свойства кристалла.
Точечные дефекты могут взаимодействовать друг с другом, образуя различные нейтральные сочетания. Нейтрализация дефектов решетки с помощью электронов и дырок тем более вероятна, чем больше электронов и дырок в зоне проводимости кристалла, т. е. чем уже запрещенная зона.
Дефекты такого типа имеются в полупроводниках. В кристаллах с широкой запрещенной зоной, т. е. в диэлектриках, более вероятна нейтрализация точечных дефектов друг с другом путем образования парных дефектов — дефектов Френкеля (рис.2. а) или дефектов Шоттки (рис.2.б). [7]
1. Дефекты по Я. Н. Френкелю. Атом или ион перемещается из своего нормального равновесного положения (узла) в нестабильное, промежуточное положение (междоузлие), образуя атом или ион внедрения и вакансию, т.е. незанятый узел решетки.
2. Дефекты по В. Шоттки. Атом или ион перемещается из своих уравновешенных положений на поверхности кристалла. [7]
Дефект Шоттки — пара из катионной и анионной вакансий. Наличие дефектов Шоттки уменьшает плотность кристалла, поскольку атом, образовавший вакансию, диффундирует на поверхность кристалла.
Дефект Френкеля — вакансия и противоположно заряженный атом в междоузлии. Эти дефекты не влияют на плотность кристалла.
В общем случае в кристалле могут быть и дефекты Френкеля, и дефекты Шоттки, причем преобладают те, для образования которых требуется меньшая энергия. [7]
Рис.2. Дефекты по Френкелю (б);
Дефекты по Шоттки (а)


8
3.2. ЛИНЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ.
Линейные дефекты— одномерные, т.е. протяженные в одном измерении: нарушения периодичности в одном измерении простираются на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в двух других измерениях не превышают нескольких параметров решетки. [7]
К линейным дефектам относят дислокации, микротрещины, неустойчивые образования в виде цепочки точечных дефектов. [3]
Дислокации – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. В центре такой дислокации находится искажённая плоскость с отличными от равновесных межатомными расстояниями. Эта область транслируется вдоль линии дислокации.
Концы этой линии выходят на поверхность кристалла или же она образует внутри кристалла замкнутую дислокационную петлю. В зависимости от того, как расположены участки этой линии по отношению к вектору сдвига, различают: [7,3]
− Краевые дислокации;
− Винтовые дислокации.
1) Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости, которая называется экстраплоскостью (линия скольжения).Краевая дислокация напоминает книгу, у которой оторвали часть листа(рис. 3). [7]
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. 4). [7]
На рис.4 показан разрез параллелепипеда по атомной плоскости, перпендикулярной линии АВ. [7]
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация –
положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная ( ) (рис. 5). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются. [7]
Рис. 3. Краевая дислокация и результат её перемещения
Рис. 4. Разрез параллелепипеда по атомной плоскости, перпендикулярной линии АВ для краевой дислокации (τ - вектор сдвига)


9 2) Вторым основным типом дислокаций являются винтовые дислокации.
Т.к. после появления такой дислокации в кристалле он состоит из атомной плоскости, закрученной в винтовую лестницу, то эта дислокация называется винтовой (рис.6). [7]
Если винтовая дислокация образована по часовой стрелке, то ее называют – правовинтовая, против – левовинтовая.
3) Возможен случай, когда дислокация представляет собой кривую. Такие дислокации называются смешанными (рис. 7). В точке О дислокация винтовая, а в точке О` − краевая. Поскольку любая дислокация является границей зоны сдвига, то она не может обрываться внутри кристалла.
Дислокация в состоянии лишь выходить своими концами на поверхность, разветвляться на несколько дислокаций, образующих узел или формировать замкнутое кольцо, полностью расположенное в кристалле. Учитывая, что дислокационная линия в общем случае может иметь произвольную кривизну, то вводится понятие о смешанной дислокации, имеющей различную долю краевой и винтовой компонент. Таким образом, любую произвольную линию дислокации можно разделить на краевую и винтовую составляющие. [7]
3.3 ПОВЕРХНОСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ.
Двумерные, или поверхностные, дефекты простираются в двух измерениях на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в третьем — составляют несколько параметров решетки. У поверхностных дефектов – мала толщина, а длина и ширина больше её на несколько порядков. [7]
К двумерным дефектам относятся:
1. Дефекты упаковки.
2. Дислокационная стенка.
3. Сама поверхность кристалла.
4. Двойники и их границы.
5. Границы зерен (большеугловые) и субзерен или фрагментов (малоугловые), блоки.
6. Межфазные границы. [7]
Рис. 5. Положительная (а) и отрицательная (б) краевые дислокации
Рис. 7. Смешанная дислокация
Рис. 6. Винтовая дислокация


10
Дефекты упаковки и дислокационная стенка.
Одним из наиболее распространенных плоских дефектов являются дефектов упаковки. Они представляют собой нарушения последовательности застройки атомными плоскостями решетки некоторых участков в кристалле (рис. 8). Возникают данные дефекты обычно в плотноупакованных кристаллах и ограничены частичными дислокациями. Как и дислокации, дефекты упаковки играют важную роль в деформации кристаллов. [7]
Двойники.
Двойником называется часть кристалла, в которой кристаллическое строение является зеркальным отражением остальной части кристалла (рис. 9(а)). Плоскость симметрии, связывающая две зеркально симметричные части кристалла, называется плоскостью двойникования (рис. 9(б)). [9]
Двойникованием (образованием двойников) - симметричная переориентация областей кр. решетки. Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла. Обычно деформация двойникованием протекает в тех случаях, когда деформация скольжением, т.е. путем движения дислокации, затруднена. [5]
Границы зерен.
Поликристаллы состоят из большого числа мелких монокристаллов неправильной формы и жестко связанных между собой, которые называются зернами или кристаллитами. Зерна разделены некоторыми зонами перехода – границами зерен. Очень важно хорошо представлять, что граница зерна – это не «стена» из чего-то между соседними зернами и не пустота между ними. Надо также не забывать, что границы зерен – не линии, хотя именно так мы видим их на отполированной и протравленной поверхности металла. [10,7]
Граница зерна представляет собой поверхность между двумя монокристаллами различной ориентации, которые примыкают друг к другу, т. е. некий сплошной переход от одного монокристалла к другому или же область несовершенного контакта, где имеется нарушение непрерывности кристаллической структуры (рис. 10). [10]
Рис. 8. Дефект упаковки (а) и дислокационная стенка (б) а б а б
Рис. 9. Двойник (а) и плоскость двойникования (б)


11
Два соседних зерна в общем случае имеют несовпадающую кристаллографическую ориентировку.
В зависимости от угла разориентировки θ принято выделять: [3]
− Малоугловые границы;
− Большеугловые границы.
К малоугловым относят межзеренные границы с углом разориентировки не более 5°. Если этот угол превышает 10°, то такие границы считаются высокоугловыми (при θ = 5–10° границы относят к
среднеугловым) (рис.11). Чем больше дислокаций в стенке и меньше расстояние между ними, тем выше угол разориентировки θ. Поэтому с увеличением плотности дислокаций в стенке малоугловая граница может постепенно трансформироваться в высокоугловую. По границам зерен наряду с плоскими дефектами могут существовать и объемные дефекты. [3]
При переходе через высокоугловые границы фактически происходит резкий скачок ориентировки атомных плоскостей и анизотропных свойств соприкасающихся решеток соседних кристаллов.
Имеющиеся на данный момент представления о строении высокоугловых границ имеют в основном описательный характер. Ширина высокоугловых границ приближается к атомным размерам (порядка
1–3 атомных диаметров). Такая граница содержит относительно большие промежутки между атомами (повышенную рыхлость). Это является причиной быстрой диффузии по границам зерен, а также объясняет их высокую подвижность. [3]
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.
Множество блоков слегка повернутых друг относительно друга на доли градуса в одном зерне образуют структуру, которая называется мозаичной или

Читайте также: