Дефекти в металах і сплавах (стр. 5 из 6)

Приклади іонних кристалів другого типу — нітрати, сульфати, фосфати, силікати і ін. солі цих же металів, де негативні іони кислотних залишків складаються з декількох атомів. Кислотні залишки можуть об'єднуватися в довгі ланцюги, шари, а також утворюють тривимірний каркас, в порожнечах якого розміщуються іони металу. Такі утворення зустрічаються, наприклад, в кристалічних структурах силікатів.

5. Лінійні дефекти.

У реальних кристалах деякі атомні площини можуть обриватися. Краї таких обірваних (зайвих) площин утворюють краєві дислокації. Існують також гвинтові дислокації, пов'язані із закручуванням атомних площин у вигляді гвинтових сходів, а також складніші типи дислокацій. Іноді лінійні дефекти у кристалах утворюються з скупчення точкових дефектів, розташованих ланцюжками.

5.1 Дислокації

Дислокації в кристалах, дефекти кристала, що є лініями, вздовж і поблизу яких порушено характерне для кристала правильне розташування атомних площин. Дислокації та інші дефекти в кристалах визначають багато фізичних властивостей кристалів, званих структурно-чутливими. Зокрема, механічні властивості кристалів — міцність і пластичність — обумовлені існуванням дислокацій і їх особливостями.

Найпростішими видами дислокацій є краєва і гвинтова дислокації. В ідеальному кристалі сусідні атомні площини паралельні на всьому своєму протязі. У реальному кристалі атомні площини часто обриваються усередині кристала (рис. 10, а), при цьому виникає краєва дислокація, віссю якої є край «зайвої» напівплощини.

Рис. 10. Краєва дислокація: а – обрив атомної площини всередині кристала; б – схема утворення краєвої дислокації

Застосування електронних мікроскопів з великою роздільною здатністю дозволяє спостерігати в деяких кристалах специфічне для краєвої дислокації розташування атомних рядів.

Утворення краєвої дислокації можна уявити собі, якщо надрізати кристал по частині площини ABCD (рис. 10, б), зрушити нижню частину відносно верхньої на одну міжатомну відстань b в напрямі, перпендикулярному до АВ, а потім знову з'єднати атоми на протилежних краях розрізу. Зайва напівплощина, що залишилася, обривається уздовж краєвої дислокації АВ. Вектор b, величина якого рівна міжатомній відстані, називається вектором зрушення (вектор Бюргерса). Площина, що проходить через вектор зрушення і лінію дислокації, називається площиною ковзання краєвої дислокації.

Якщо напрям зрушення b не перпендикулярно, а паралельно межі надрізу АВ, то виходить гвинтова дислокація (рис. 11, а).

На відміну від краєвої дислокації, у гвинтової дислокації площиною ковзання є будь-яка кристалографічна площина, що проходить через лінію АВ. Кристал з гвинтовою дислокацією вже не складається з паралельних атомних площин, скоріше за нього можна розглядати таким, що складається з однієї атомної площини, закрученої у вигляді гелікоїда або гвинтових сходів без сходинок (рис.11, б). На рис. 11 а, показано розташування атомів вище (білі кола) і нижче (чорні кола) за площину ковзання в простих кубічних гратах з гвинтовою дислокацією. Якщо гвинтова дислокація виходить на зовнішню поверхню кристала, то в точці виходу А (рис.11, б) обривається сходинка AD заввишки в товщину одного атомного шару. Ця сходинка активно проявляє себе в процесі кристалізації. Атоми речовини, випадні з пари або розчину, легко приєднуються до сходинки на поверхні кристала, що росте. Кількість атомів, що захоплюються сходинкою, і швидкість зсуву сходинки по поверхні кристала більше поблизу виходу дислокації. Тому сходинка закручується навколо осі дислокації. Сходинка послідовно піднімається з одного кристалічного «поверху» на іншій, що приводить до спірального зростання кристала.

Між граничними випадками краєвою і гвинтовою дислокаціями можливі будь-які проміжні, в яких лінія дислокації складає довільний кут з вектором зрушення (змішана дислокація). Лінія дислокації не обов'язково повинна бути прямій, вона може бути довільною кривою. Лінії дислокації не можуть обриватися усередині кристала, вони повинні або бути замкнутими, утворюючи петлі, або розгалужуватися на декілька дислокацій, або виходити на поверхню кристала. Щільність дислокацій у кристалі визначається як середнє число ліній дислокацій, що перетинають проведений усередині тіла майданчик в 1 см2, або як сумарна довжина дислокації у 1 см3. Щільність дислокацій зазвичай коливається від 102 до 103 на 1 см2 в найбільш довершених монокристалах і доходить до 1011—1012 на 1 см2 в сильно спотворених металах.

Утворення і зникнення дислокацій.

Зазвичай виникають при утворенні кристала з розплаву або з газоподібної фази. Методи вирощування дислокацій дуже складні і розроблені тільки для небагатьох кристалічних речовин. Після ретельного відпалу кристали містять зазвичай 104—105 Д. на 1 см2. При щонайменшій пластичній деформації такого кристала дислокації інтенсивно «розмножуються» (рис. 12), без чого неможлива значна пластична деформація кристала.

Рис. 12. Переміщення дислокації в площині ковзання супроводжується розривом і приєднанням міжатомних зв’язків. В кристалі без дислокацій зсув в площині ковзання потребує одночасного розриву всіх міжатомних зв’язків.

Якби нові дислокації не народжувалися в кристалі, то деформація припинилася б після виходу на поверхню кристала всіх наявних в нім дислокацій. Дислокації, що притягуються. з протилежним вектором зрушення, лежачі в одній площині ковзання, при зближенні знищують один одного. Якщо такі . лежать в різних площинах ковзання, то для їх анігіляції потрібне переповзання.

Тому при високотемпературному відпалі, сприяючому переповзанню, знижується щільність дислокацій.

Дислокації — джерело кривизни решітки.

Рис. 13. Переповзання краєвої дислокації. Атоми зайвої на півплощини переходять у вакантні вузли решітки.

Ділянки кристала, розділені рядами (рис. 13) або сітками з дислокаціями, мають різну орієнтацію атомних площин і називаються кристалічними блоками.

Якщо дислокації розташовані рівномірно за об'ємом кристала, то блокової структури немає, але грати викривлені (рис. 14).

Викривлення атомних площин і спотворення міжплощинних відстаней поблизу дислокацій збільшують інтенсивність розсіяння рентгенівських променів і електронів. На цьому засновані рентгенівські і електронномікроскапічні методи спостереження дислокацій.

Структура дислокації деформованих кристалів. Руйнування. Розподіл дислокацій у деформованих кристалах зазвичай нерівномірне. При малому ступені деформації (зазвичай до 10%) дислокації часто розташовуються уздовж виділених площин ковзання. Із зростанням деформації виникає (зазвичай в металах) блокова структура, що виявляється за допомогою електронного мікроскопа або по розсіянню рентгенівських променів. Із зростанням деформації розмір блоків падає. При розмноженні дислокації середні відстані між дислокаціями скорочуються, їх поля пружної напруги взаємно перекриваються і ковзання ускладнюється (деформаційне зміцнення кристала). Щоб ковзання могло продовжуватися, прикладену зовнішню напругу необхідно підвищити.

При подальшому розмноженні дислокацій внутрішня напруга може досягати значень, близьких до теоретичної міцності. Тоді настає руйнування кристала шляхом зародження і поширення в ньому мікротріщин. Цьому можуть сприяти також і теплові коливання.

6. Двовимірні дефекти.

Такими дефектами у кристалах є межі між ділянками кристала, поверненими на різні (малі) кути по відношенню один до одного; межі двійників, дефекти упаковки (одноатомні двійникові шари), межі електричних і магнітних, антифазні межі в, межі включень іншої фази (наприклад, мартенситною), межі зерен (кристалітів) у агрегатах кристалів.

Кристаліти – дрібні кристали, що не мають ясно вираженої огранованої форми. Кристалітами є кристалічні зерна в різних полікристалічних утвореннях: металевих злитках, гірських породах, мінералах і т.п.

6.1 Двійкування

Двійкування – утворенняв монокристалі областей із закономірно зміненою орієнтацією кристалічної структури. Структури двійникових утворень є або дзеркальним віддзеркаленням атомної структури материнського кристала (матриці) в певній площині (площини дефекту), або утворюються поворотом структури матриці навколо кристалографічної осі (осі дефекту) на деякий кут, постійний для даної речовини, або іншими перетвореннями симетрії. Пара — матриця і двійкове утворення — називається двійником.

Двійкування відбувається в процесі зростання кристалів через порушення в укладанні атомів при наростанні атомного шару на зародку або на готовому кристалі (дефекти упаковки), а також при зрощенні сусідніх зародків (двійники зростання, рис. 15).

Двійкування відбувається також завдяки деформації при механічній дії на кристал — при ударі вістря, розтягуванні, стисненні, крученні, вигині і т.д. (механічні, двійники), при швидкому тепловому розширенні і стисненні, при нагріванні деформованих кристалів (двійники рекристалізації), при переході з однієї модифікації кристала в іншу.

Перекидання частини або всього кристала в двійникове положення у металів здійснюється пошаровим ковзанням атомних площин. Кожен атомний шар послідовно зміщується на долю міжатомної відстані, при цьому всі атоми в двійниковій області переміщаються на довжину, пропорційну їх відстані від площини двійкуванння (площини дзеркального віддзеркалення). У інших кристалів цей процес складніший, наприклад у кальциту CaCO3 додається обертання груп CO3. Механічні двійники утворюються в тих випадках, коли деформація ковзання у напрямі прикладеної сили ускладнена.