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: τ_сдв = 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).

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;

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).

Рисунок 3 - Краевая дислокация

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

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).

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).

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

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:

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