Дефекты кристаллического строения

Внутри зерна всегда имеются отклонения в расположении атомов (от идеального состояния), то есть дефекты.

Существуют следующие виды дефектов: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты(рис. 1.8). С повышением температуры амплитуда колебаний атомов возрастает, и вероятность срыва атомов из положения равновесия увеличивается, то есть плотность вакансий (их количество) возрастает, что облегчает процесс диффузии.

Рис. 1.8. Точечные дефекты в кристаллической решетке

Вблизи температуры плавления плотность вакансий достигает максимума - около 1 % от количества всех атомов в кристалле. Вокруг этих дефектов атомы смещены из положения равновесия на расстояние 5...7 атомных рядов, то есть решетка искажается. Это приводит к тому, что твердость и прочность металла растут, и, следовательно, металлоемкость конструкции можно снижать.

Линейные дефекты.К ним относятся цепочки вакансий, дислоцированные атомы и дислокации.

Виды дислокаций:

а) краевые (линейные) дислокации - когда в кристалле появляется дополнительная полуплоскость - экстраплоскость (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Линейные дислокации в кристаллическом материале

Эта экстраплоскость раздвигает соседние атомные ряды, создавая здесь сжимающие внутренние напряжения. Под экстраплоскостью образуются растягивающие внутренние напряжения. Наиболее простой способ введения дислокаций в кристалл - сдвиг, то есть пластическая деформация. С увеличением усилия сдвига τ плотность дислокаций возрастает. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной, а если в нижней - то отрицательной, обозначение их показано на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Обозначение дислокаций в кристалле

При рассмотрении кристалла в объеме край экстраплоскости - прямая линия, и поэтому эта дислокация называется линейной;

б) винтовые дислокации - край плоскости - это линия, закрученная по винту (по спирали).

Поверхностные дефекты.К ним относятся границы зёрен (рис. 1.11) и субграницы (рис. 1.12).

Рис. 1.11. Схема зернистой структуры металла

Рис. 1.12. Схема субструктуры внутри зерна

Границы зерен по кристаллическому строению имеют промежуточное (буферное) строение между соседними зернами. Толщина границы - несколько атомных рядов.

Угол кристаллографической разоариентировки составляет десятки градусов (высокоугловые границы). Именно здесь, то есть по границам зерен, сконцентрированы все основные дефекты. Поэтому границы зерен упрочняют металл.

Если рассматривать одно зерно при очень большом увеличении (×30000 раз в электронном микроскопе), то оказывается, что одно зерно состоит, в свою очередь, из очень большого количества еще более мелких зерен - субзерен.

Угол разоариентировки очень маленький - от нескольких секунд до нескольких градусов. Субграницы имеют чисто дислокационное строение. Размер субзерен на 3...4 порядка меньше, чем зерен.