Дефекти кристалічної будови

Розрахунки проведені для ряду реальних тіл показують, що теоретична міцність в 100…1000 разів відрізняється від міцності реальних тіл. Причиною цього є дефекти структури цих тіл. Серед них найбільш поширеними є: точкові дефекти, лінійні дефекти, поверхневі і об’ємні неоднорідності матеріалів.

Рисунок 2.3 - Схема будови полікристалу

Точкові дефекти. В процесі кристалізації відбувається формування внутрішньої структури кристалічних тіл. При цьому (рисунок 2.4) можуть появитись дефекти у вигляді "дірок" 1 - випадок, коли в одному з місць кристалічної гратки відсутній той чи інший атом. Або появляється дефект "впровадження" 2 - випадок, коли одна з частинок кристалічної гратки розміщується у просторі між вузлами. Дефект "заміщення" 3 - випадок, коли необхідний вид частинок решітки випадково заповнюються частинкою зовсім іншого сорту. Кожен з цих дефектів вносить додаткові напруження в кристалічну гратку твердого тіла і зменшує його міцність.

Рисунок 2.4 - Точкові дефекти кристалічних тіл

Лінійні недосконалості. В процесі кристалізації утворюються блоки кристалічної гратки, дещо зсунуті по напрямках. Границі блоків являють собою області з порушеною структурою. Крім того, під дією зовнішніх сил в структурі кристалічних тіл можуть відбутись зміщення частинок, які приводять до порушень в будові кристалічних тіл. Геометричні форми лінійних дефектів дуже складні, однак граничні їх випадки - крайова і гвинтова можуть бути представлені у вигляді простих схем (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Крайова а і гвинтова б дислокації в кристалі: В - вектор зсуву (Бюргерса)

Лінійне порушення чергування атомних площин в кристалічній гратці твердих тіл називається дислокацією. В перекладі з грецької це слово означає зміщення. Зміщення в кристалічних решітках призводять до виникнення додаткових стискаючих і розтягуючих напружень і як наслідок - до суттєвої зміни міцності твердих тіл. На рисунок 2.6 показано зміну модуля Юнга (Е) від густини дислокацій в матеріалі (r).

Спочатку ріст числа дефектів (дислокацій) призводить до падіння модуля Юнга, а отже і міцності. Після досягнення мінімуму міцність зростає. У цьому випадку виявляється взаємодія дислокацій одна з одною і з іншими дефектами, що призводить до гальмування руху дислокацій. Тому існують два способи зміцнення матеріалів: зниження числа дефектів, тоді міцність прагне до теоретичної (ділянка 1 і 2 на кривій міцності), або збільшення щільності дефектів (ділянка 4). Обидва шляхи реалізовані в промисловості. У строго контрольованих умовах одержують високоміцні волокна (наприклад із бору), близькі по будові до бездефектних монокристалів. На основі цих волокон виготовляють метало-композиційні матеріали з величезною міцністю на розрив. З таких легких і міцних матеріалів виготовляють кузовів автомобілів для перегонів. Іншим прикладом одержання виробів із металів, що містять найменше число дефектів, є технологія виготовлення лопаток турбін турбореактивних двигунів. В даний час лопатку вирощують як монокристал у спеціальних формах при строго контрольованих умовах.

Рисунок 2.6 - Зміна міцності твердих тіл із збільшенням густини дислокацій: 1 - теоретична міцність; 2 - монокристали у вигляді "вусів"; 3 - чисті незміцнені метали; 4 - сплави, зміцнені легуванням, наклепом і термічною обробкою

Другий шлях полягає в насиченні кристалу дефектами за рахунок загартування, легування або механічного наклепу. Легування сприяє появі в гратці сторонніх атомів. Загартування викликає подрібнення зерен полікристалу, причому межа зерен є двомірними дефектами. На них розсіюються дислокації. Деформаційне зміцнення - наклеп призводить до утворення величезної кількості нових дислокацій, що перешкоджають їхньому взаємному переміщенню.

Пластична деформація кристалів здійснюється при зсувних напруженнях, у багато разів менших, чим теоретичні, що пояснюється рухом дислокацій, що починається при порівняно невеликій відносній деформації порядку 10^-4…10^-3. Коли дислокація проходить через весь кристал, одна частина останнього зміщується щодо іншої на розмір межатомної відстані. Зважаючи на те, що щільність дислокацій велика (складає на початку зсуву ~ 10⁶ …10⁸ см^-3), тому зсув призводить до однорідного ковзання множини блоків кристала один відносно одного з виходом дислокацій і утворенням сходинок на границі тіла. Рухливість дислокацій, а отже швидкість пластичної деформації, експоненціально підвищуються з ростом температури.

Однією з важливих функцій дефектів будови кристалічних тіл взагалі і дислокацій зокрема є розсіювання енергії при терті. Оскільки, з однієї сторони, пластична деформація і зріз твердих тіл визначаються дефектами і дислокаціями, а, з другої сторони, більшість процесів тертя включають процеси пластичної деформації, то можна пов’язати процеси тертя з дислокаційними ефектами. Так, шляхом прямих спостережень за допомогою просвічуючого електронного мікроскопа достовірно встановлено, що при контакті ковзання металів утворюються дислокації.

Поверхневі (двомірні) неоднорідності (поверхневі мікротріщини) являють собою поверхню границь зерен і дефекти упаковки, які виникають як при зародженні кристалів, так і в процесі їх навантаження.

Об’ємні (трьох мірні) неоднорідності представляють собою міжкристалічні області, внутрішні пори і тріщини, поверхні поблизу різноманітних включень і т. п.

У загальному випадку мікроструктура реальних і їх поверхня мають вкрай неоднорідну будову і складний профіль поверхні на субмікрорівні полікристалів.

Ці дефекти структури матеріалу і поверхні твердих тіл в своїй основі мають розміри сумірні з постійними кристалічної гратки (10^-9…10^{-8 м), не спостерігаються за допомогою оптичного мікроскопу. Однак, вони здатні сильно впливати на багато властивостей реальних тіл.}

Крім кристалічних існує клас аморфних речовин, які на відміну від кристалічних, мають ближній порядок у розташуванні молекул, що стає хаотичним при віддаленні від даної молекули на декілька діаметрів. У таких речовинах відсутня точка плавлення. Вони ізотропні. Течія, як і в рідин, відбувається при будь-якій навантаженні і різко інтенсифікується з підвищенням температури, тому вони не мають межі текучості. Напруги і деформації є функціями навантаження, часу і температури. До таких речовин відносяться зокрема більшість полімерів.