Строение реальных кристаллов

Реальный кристалл металла всегда отличается своим строением от идеального. Это зависит от условий кристаллизации, в результате которой может искажаться внешняя его форма. Дефекты строения подразделяются по геометрическим признакам, а именно по характеру их измерения в пространстве, на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные).

Точечные дефекты – это нарушения периодичности кристаллической решетки. Размеры их во всех направлениях сопоставимы с таковыми для атомов. К ним относятся: вакансии – свободные узлы в кристаллической решетке, межузельные элементы – те, которые располагаются вне узлов решетки (рис. 1.9).

Рис. 1.9 - Типы точечных дефектов решеток

Эти искажения называют соответственно дефектами Шоттки и Френкеля. Примесные атомы – примеси замещения и внедрения. Это ядерные остовы, которые способны замещать таковые в основном металле или внедряться в свободные места (поры или междоузлия). Вакансии образуются в результате выхода ядерного остова из узла на поверхность кристалла. Дефекты Френкеля возникают вследствие трансформации ядра из равновесного положения в междоузлие. Эти искажения формируются в основном при изменении температуры и называются тепловыми вакансиями. Они вызывают местное модифицирование решетки кристалла и влияют на электропроводность и магнитные свойства металла, а также на их фазовые превращения.

Линейные несовершенства весьма малы в двух измерениях, например, по поперечным осям, т. е. не превышают расстояний между катионами, но в третьем достигают достаточно больших размеров, которые соизмеримы с длиной кристалла. Сюда входят цепочки вакансий, межузельных ядер и дислокации.

Последние являются особым и важным видом линейных дефектов. Дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение ионных плоскостей кристалла. Впервые представления о дислокациях были введены в 1934 году физиками Орованом, Поляни и Тейлором. Различают краевую и винтовую дислокации (рис. 1.10 и 1.11).

Краевая дислокация - локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное появлением или наличием в ней неполной или лишней плоскости ядер, называемой экстраплоскостью (АВСD, рис. 1.10, а).

Рис. 1.10. Краевые дислокации: а – сдвиг, создавший дислокацию; б – пространственнаясхема

Винтовую дислокацию определяют как сдвиг одной части кристалла относительно другой. Такое смещение нарушает параллельность слоев атомов в кристаллической решетке. При этом кристалл превращается как бы в одну плоскость, закрученную по винту вокруг линии, являющейся границей между частями плоскости, где сдвиг уже произошел и где еще не начинался (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Пространственная модель образования винтовой дислокации в результате неполного сдвига по плоскостям (a) и расположение ядерных остовов в ее области (б)

Обе дислокации консервативны, но винтовая не связана с одной какой-то определенной плоскостью, она перемещается по любой из них, проходящей через линию дислокации. Возможно образование частичных и смешанных дислокаций. Формирование их повышает энергию кристалла.

Характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций r - суммарная длина всех ее линий в единице объема r = ål/v см^-2. Ее можно определить и как число дислокаций, пересекающих единицу площади. Плотность дислокации зависит от состояния металла. В монокристаллах она равна 10³ - 10⁶ см^-2, в отожженных поликристаллических металлах r = 10⁷ - 10⁸ см^-2, после холодной деформации ее значение увеличивается до 10¹¹ - 10¹² см^-2.

В кристаллах встречаются и так называемые смешанные дислокации. Дислокации не могут обрываться внутри кристалла — они должны быть либо замкнутыми, либо выходить на поверхность кристалла. Плотность дислокации, т. е. число линий дислокации, пересекающих внутри металла площадку в 1 см², составляет 103 - 104 в наиболее совершенных монокристаллах до 1012 в сильно деформированных металлах. Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально расстоянию от них. Наличие упругих напряжений вокруг дислокации приводит к их взаимодействию, которое зависит от типа дислокации и их векторов Бюргерса. Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации, поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения. Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расплава. Основным механизмом размножения дислокации при пластической деформации являются так называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокации, закрепленные на концах, которые под действием напряжений могут прогибаться, испуская при этом дислокации, и вновь восстанавливаться.

Поверхностные искажения – нарушения в кристаллической решетке по поперечным плоскостям и связям, т. е. в двух направлениях наблюдается большая протяженность кристаллов, а длина очень маленькая. Это дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхностные кристаллы.

Дефекты упаковки – локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле.

Двойникование – образование двойников, симметричная переориентация областей решетки. Обычно она осуществляется в том случае, когда затруднена деформация путем движения дислокаций.

Объемные дефекты – искажения решетки во всех трех ее направлениях. Это трещины, поры и др.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение металлов по Ломоносову, Майеру и современное.

2. На какие две группы подразделяют металлы по окраске? Перечислите металлы входящие в них.

3. Приведите классификацию цветных металлов по некоторым их физико-механическим параметрам.

4. Что такое кристаллическое строение вещества?

5. Какие кристаллические решетки характерны для металлов?

6. Что называется периодом и координационным числом кристаллической решетки?

7. Сколько ядерных остовов приходится на элементарную ячейку гранецентрированной, объемноцентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной решетки?

8. Напишите кристаллографическое обозначение плоскостей куба и индексы их направления

9. Что такое полиморфное превращение, какие условия необходимы для его протекания и как оно осуществляется?

10. Какие Вы знаете дефекты кристаллической решетки?

11. Что такое дислокации? Чем отличаются ее разновидности друг от друга и как они влияют на свойства металла?

12. Какие Вы знаете поверхностные несовершенства в поликристалле?