Идеальное и реальное строение материалов. Дефекты кристаллическою строения

Идеальным является такое строение кристаллов, при котором все атомы находятся строго в узлах кристалличе­ской решетки. Расчет теоретической прочности, выполнен­ный российским академиком Я. И. Френкелем в 20-х гг. XX в., показал, что прочность такого идеального кристалла чрезвычайно высока. Предел прочности при сдвиге состав­ляет: τсдв = G/2π, где G - модуль сдвига.
В основу расчета положено, что для сдвига одной части кристалла относительно другой на величину, равную пери­оду решетки, необходимо одновременно разорвать все связи (рис. 1).

сдвиг в кристалле идеального строения
Рисунок 1 - Пластический сдвиг в кристалле идеального строения (схема)

Рассчитанный теоретический предел прочности железа составляет примерно 13000 МПа (для железа G= 80000 МПа). В действительности же для реального металла эта величина примерно в 100 раз меньше. Несоответствие теоретически рассчитанного и реального предела прочности стало побу­дительным мотивом развития теории разрушения. Дж. Тей­лором, Э. Орованом и М. Полани была разработана теория дислокаций, которая позже, с развитием методов электро­нографии, нашла практическое подтверждение. Такое несоответствие объясняется наличием дефектов кристаллического строения реальных материалов. Эти дефекты подразделяются по геометрическим признакам: точечные, линейные и поверхностные.
Точенные дефекты. Малы в трех измерениях. К ним относятся:
-межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки, — рис. 2, а). В металлах межузельными могут быть атомы примесей, всегда присутству­ющие в реальных металлах;

Схема точечных дефектов
Рисунок 2 - Схема точечных дефектов: а — дислоцированный атом; б — вакансия

- вакансии (узлы кристаллической решетки, в которых атомы отсутствуют, — рис. 2, б). Вакансии образуются в результате того, что в кристалле всегда имеются атомы, кинетическая энергия которых больше средней, соответствующей данной температуре. Если такие атомы расположены вблизи поверхности, то они могут переместиться на поверхность кристалла, а их места в узлах кристаллической решетки занимают атомы, распо­ложенные дальше от поверхности. В результате некоторые узлы кристаллической решетки оказываются свободными, т.е. образуются вакансии. Число вакансий при комнат­ной температуре невелико, по оно значительно возрастает при повышении температуры. Количество вакансий вблизи температуры плавления может достигать 1% количества
атомов в кристалле. Вакансии делают возможным переме­щение атомов, определяют процессы диффузии в металлах и сплавах, оказывают влияние на некоторые физические свойства (электропроводность, магнитные свойства).
Линейные дефекты. Эти дефекты имеют малые раз­меры в двух измерениях и большую протяженность в тре­тьем и называются дислокациями. Различают краевые и вин­товые дислокации. Краевая дислокация представляет собой край АВ возникшей по каким-либо причинам лишней полу­плоскости атомов, называемой эктраплоскостью (рис. 3).

Краевая дислокация
Рисунок 3 - Краевая дислокация

Эта дислокация может быть прямой, выгибаться в разные стороны, образуя винтовую дислокацию (рис. 4).

Винтовая  дислокация
Рисунок 4 - Винтовая дислокация

Вокруг дислокации решетка упруго искажена и имеет повышенную энергию. Дислокации называют положитель­ными или отрицательными в зависимости от их расположения относительно плоскости скольжения: положительные, если экстраплоскость нахо­дится выше, и отрицатель­ные, если ниже (рис. 4). Такое разделение условно. Знак дислокации важен лишь при анализе их взаимодействия . Сближеиие дислокаций разного знака приводит к их аннигиля­ции.
Дислокации могут обра­зовываться в процессе кри­сталлизации металлов путем слияния вакансии, а также в процессе пластической деформации и фазовых превра­щений. Плотность дислокаций измеряют числом дислока­ционных линий, пересекающих единицу площади (1 см2).
Дислокации оказывают большое влияние на механизм пластической деформации. Это особенно важно для металлов и сплавов на их основе при производстве заготовок методами пластической деформации. Напомним, что в идеальном кри­сталле для сдвига одной его части относительно другой необ­ходимо одновременно разрушить (разорвать) все межатомные связи. При наличии дислокаций это достигается не одновре­менным разрушением всех межатомных связей, а последова­тельным — одна за другой, при этом происходит перемещение дислокации (рис. 5). Естественно, это требует значительно меньших затрат энергии. Дислокации могут перемещаться при очень малых напряжениях (меньших 104 Па).

скольжения краевой дислокации
Рисунок 5 - Схема перемещения (скольжения) краевой дислокации: а- г - этапы перемещения дислокации

Поскольку пластическая деформация реализуется за счет скольжения дислокаций, то повышение прочности может быть достигнуто либо путем получения кристаллов идеаль­ного строения (без дислокаций), либо за счет создания пре­пятствий на пути движения дислокаций. Препятствиями могут служить другие дислокации, атомы примесей, границы зерен, т.е. дефекты строения решетки. Увеличение плотно­сти дефектов позволяет увеличить прочность (рис. 6 - правая восходящая ветвь на кривой). Прочность, близкую
теоретической, получают на очень тонких бездислокационных кристаллах, называемых «усами»; в объеме реальных деталей ее получить пока невозможно. Поэтому на практи­ке прочность повышают увеличеием плотности дефектов за счет различ­ных механизмов упрочне­ния, рассмотренных ниже (наклеп, дисперсионное твердение, перекристал­лизация).

Зависимость прочности металла от искажений кристаллической  решетки
Рисунок 6 - Зависимость прочности металла от искажений (дефектов) кристаллической решетки

Поверхностные де­фекты. Такие дефекты малы только в одном измерении — это поверх­ности раздела между отдельными зернами. Границы зерна пред­ставляют собой переход­ную область шириной до 10 межатомных расстояний, где решетка одного зерна, имеющего оире-деленную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого зерна с отличающейся кристаллогра­фической ориентацией. Переходный слой имеет сложное строение, и нем нарушено правильное расположение атомов (рис. 7), повышена концентрация примесей и плотность дислокаций

Расположение атомов внутри и по границам зерен
Рисунок 7 - Расположение атомов внутри и по границам зерен

Границы зерен препятствуют перемещению дислока­ций. Дислокация не может перейти границу зерна, так как в новом зерне плоскость скольжения не совпадает с пло­скостью движения этой дислокации. Протяженность гра­ниц тем больше, чем меньше величина зерна. Поскольку увеличение протяженности границ зерен создает больше барьеров перемещению дислокаций, измельчение зерна приводит к повышению пределов прочности и текучести металлических материалов. Зависимость предела текучести от размера зерна описывается формулой Петча - Холла:

Формула Петча Холла
где σ0 и k — постоянные характеристики материала; d - размер (условный диаметр) зерна.