Дефекты кристаллического строения металлов: точечные, линейные и поверхностные несовершенства

В лабораторных условиях из жидкого расплава можно вырастить монокристалл — тело, обладающее единой кристаллической решеткой на всем своем протяжении. Такие монокристаллы используются преимущественно в научных исследованиях для изучения фундаментальных свойств материалов, таких как анизотропия, электропроводность и механизмы деформации. Однако промышленное получение монокристаллов сложно и дорого, поэтому в технике они применяются ограниченно.

Металлы и сплавы, получаемые в обычных производственных условиях (литье, прокатка, ковка), имеют поликристаллическое строение, то есть состоят из огромного количества мелких кристаллов, которые называются зернами. Эти зерна имеют неправильную форму, различную ориентировку в пространстве и разделены границами. Каждое отдельное зерно анизотропно, но из-за хаотичной ориентации множества зерен относительно друг друга общие свойства поликристаллического тела усредняются, и макроскопическая анизотропия, как правило, не наблюдается.

В реальных металлах, в отличие от идеальных кристаллов, всегда присутствуют различные дефекты (несовершенства) кристаллического строения. Эти дефекты нарушают периодичность решетки и оказывают решающее влияние на физические, механические и химические свойства материалов. По геометрическим признакам все дефекты классифицируются на три основных типа: точечные (малые во всех трех измерениях), линейные (малые в двух измерениях и протяженные в третьем) и поверхностные (малые в одном измерении).

Точечные дефекты. Наиболее распространенным типом несовершенств являются точечные дефекты, к которым относятся вакансии, дислоцированные (межузельные) атомы и примесные атомы. Эти дефекты малы во всех трех пространственных координатах, их размеры не превышают нескольких атомных диаметров. Несмотря на свою локальность, они играют ключевую роль в процессах диффузии и фазовых превращениях.

Рис. 2.1. Схематическое изображение точечных дефектов в кристаллической решетке

Вакансия — это отсутствие атома в узле кристаллической решетки, то есть «дырка» или свободное место. Вакансии образуются при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, поры, трещины), а также в результате пластической деформации или облучения материала высокоэнергетическими частицами. Концентрация вакансий экспоненциально растет с повышением температуры. Перемещаясь по кристаллу, вакансии могут встречаться и объединяться в дивакансии или более сложные комплексы, а их скопление способно приводить к образованию пор и раковин.

Дислоцированный атом (или межузельный атом) — это атом, покинувший свой узел кристаллической решетки и занявший место в междоузлии. На месте такого атома образуется вакансия, поэтому пару «вакансия — межузельный атом» часто называют дефектом по Френкелю. Концентрация дислоцированных атомов в металлах обычно значительно ниже концентрации вакансий, так как для их внедрения в междоузлие требуются существенно большие затраты энергии.

Примесные атомы всегда присутствуют в реальных металлах, поскольку практически невозможно выплавить химически чистый металл. Атомы примесей могут иметь размеры как больше, так и меньше размеров основных атомов. В зависимости от размера и химической природы они могут располагаться либо в узлах решетки (образуя твердые растворы замещения), либо в междоузлиях (твердые растворы внедрения). Точечные дефекты вызывают локальные искажения решетки, что влияет на электропроводность, магнитные свойства и ускоряет диффузионные процессы.

Линейные дефекты (дислокации). Основными линейными дефектами в кристаллах являются дислокации. Представление о дислокациях было впервые введено в 1934 году независимо Э. Орованом, М. Поляни и Дж. Тейлором для объяснения огромного расхождения между теоретической прочностью идеального кристалла и реальной прочностью технических металлов. Дислокация — это дефект кристаллического строения, представляющий собой линию, вдоль и вблизи которой нарушено правильное чередование атомных плоскостей.

Простейшими видами дислокаций являются краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой внутри кристалла обрывается край «лишней» атомной полуплоскости. Эта неполная плоскость называется экстраплоскостью. Область максимальных искажений решетки находится у нижнего края экстраплоскости; в стороны от этого края искажения быстро затухают, а вдоль линии дислокации они протягиваются через весь кристалл.

Рис. 2.2. Схема краевой дислокации (а) и механизм ее образования путем сдвига (б)

Если экстраплоскость расположена в верхней части кристалла, краевая дислокация условно считается положительной ( ), если в нижней — отрицательной (⊤). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположных — притягиваются, что определяет их взаимодействие и распределение в материале. Искажения решетки вблизи дислокации носят упругий характер и создают вокруг нее поле напряжений.

Рис. 2.3. Искажения кристаллической решетки в области краевой дислокации

Винтовая дислокация образуется в результате частичного сдвига одной части кристалла относительно другой по некоторой плоскости. Вокруг линии дислокации атомные плоскости оказываются соединенными в единую винтовую поверхность, напоминающую пандус. Если переход от верхних атомных слоев к нижним происходит при повороте по часовой стрелке, дислокацию называют правой, если против — левой. Винтовая дислокация не связана с какой-то конкретной плоскостью скольжения и может перемещаться по разным направлениям.

Рис. 2.4. Механизм образования винтовой дислокации

Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла — они либо выходят на поверхность, либо образуют замкнутые петли, либо разветвляются в узлах. Количественной характеристикой дефектности структуры служит плотность дислокаций (ρ), которая определяется как суммарная длина линий дислокаций в единице объема (м/м³) или как число линий, пересекающих единичную площадку внутри кристалла. Плотность дислокаций измеряется в см⁻² или м⁻².

Плотность дислокаций в металлах колеблется в широких пределах. В тщательно отожженных монокристаллах она составляет 10⁵…10⁷ м⁻², а в сильно деформированных материалах может достигать 10¹⁵…10¹⁶ м⁻². Именно плотность дислокаций в значительной мере определяет пластичность и прочность металла, что отражено на классической кривой зависимости прочности от плотности дефектов.

Рис. 2.5. Влияние плотности дислокаций на прочность металла

Существует критическая плотность дислокаций, соответствующая минимальной прочности. Если плотность дислокаций ниже этого значения (бездефектные кристаллы), прочность резко возрастает, приближаясь к теоретической. Примером служат нитевидные кристаллы («усы») диаметром 0,5…20 мкм и длиной до 2 мм, прочность которых близка к теоретической: для железа σв = 13000 МПа, для меди — 30000 МПа. При упрочнении металлов путем увеличения плотности дислокаций важно не превысить порог 10¹⁵…10¹⁶ м⁻², иначе образуются микротрещины.

Дислокации влияют не только на механические свойства. С ростом их плотности повышается внутреннее трение, изменяются оптические свойства, увеличивается электросопротивление. Дислокации ускоряют диффузию, процессы старения и снижают химическую стойкость, поэтому при травлении поверхности в местах выхода дислокаций образуются характерные ямки травления. Дислокации возникают при кристаллизации, пластической деформации, термической обработке, а также при конденсации вакансий.

Поверхностные дефекты. К поверхностным дефектам относятся границы зерен, фрагментов и блоков. Реальный поликристалл состоит из множества зерен размером до 1000 мкм, разориентированных друг относительно друга на углы от нескольких минут до десятков градусов. Граница между зернами представляет собой тонкую зону шириной 5-10 атомных диаметров с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.

Рис. 2.6. Схема разориентации зерен, фрагментов и блоков в поликристалле

Внутри каждого зерна также нет идеального строения — оно разделено на фрагменты, разориентированные на угол до нескольких градусов. Процесс дробления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией. В свою очередь, каждый фрагмент состоит из блоков (субзерен) размером менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса. Такое иерархическое строение называют блочной или мозаичной структурой, и оно характерно для всех реальных металлов и сплавов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.