Дефекты кристаллического строения металлов

Выше было рассмотрено строение идеальных кристаллов. Структура реальных кристаллов в отличие от них имеет много дефектов (несовершенств) строения, которые оказывают большое влияние на многие свойства. К ним относятся, прежде всего, прочность, пластичность, а также электропроводимость, способность сопротивляться коррозии и др. Направленные внешние воздействия на металл (деформация, температура, облучение и др.) изменяют его структуру и позволяют в определенной мере программированно влиять на его свойства.

Повышение прочности кристаллов возможно или путем выращивания специальными методами нитевидных бездефектных кристаллов («усов»), или увеличения концентрации дефектов. Эта способность металлов к «наклепу» широко используется на практике.

Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты. Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, их размеры не превышают нескольких атомных диаметров. Они образуются в результате тепловых колебаний атомов, пластической деформации, загрязненности металлов примесями, при радиационном облучении и т. д. При всех видах воздействия на металл в нем возникают вакансии – пустые узлы решетки и дислоцированные (смещенные) атомы, расположенные в междоузлиях кристаллической решетки.

Особенно интенсивно образуются вакансии при нагреве и облучении. Так, если при комнатной температуре одна вакансия приходится на атомов меди, то при температурах близких к температуре ее плавления – на атомов. Дислоцированных атомов во много раз меньше.

Вакансии играют огромную роль в процессах диффузии, ползучести, распада твердых растворов, спекания порошковых материалов. Диффузия при наличии вакансий протекает очень легко – происходит перемещение «пустот»

(«дырок») в кристалле.

Замещение вакансии атомом приводит к образованию «дырки» на месте ушедшего атома. Этот процесс многократно повторяется, и, если вакансия не заполнится межузельными атомами, она будет все время перемещаться по кристаллу. Поэтому резкий рост скорости диффузии наблюдается в области высоких температур.

Точечными дефектами являются и примесные атомы, т.к. имея радиусы, отличающиеся от атомного радиуса основного металла, они искажают кристаллическую решетку независимо от того, где расположены – в узлах решетки или в порах (междоузлиях).

Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Этот вид дефектов называется дислокациями. Различают краевые, винтовые и смешанные дислокации. Характерной особенностью дислокаций является их сравнительно легкое перемещение под воздействием внешних сил, температуры. Образование линейной дислокации можно представить как внедрение в идеально построенный кристалл лишней кристаллографической полуплоскости атомов, называемой экстраплоскостью. Винтовая дислокация образуется, если в идеальном кристалле по каким-либо причинам произойдет сдвиг одной части кристалла относительно другой на одно или несколько межатомных расстояний.

Дислокации являются носителями пластической деформации. В процессе пластической деформации происходит движение не только имеющихся в кристалле дислокаций, но также образуется большое количество новых дислокаций в различных кристаллографических плоскостях и направлениях. Образование новых дислокаций в процессе пластической деформации ведет к упрочнению материала. С увеличением степени пластической деформации характеристики прочности (твердость, предел прочности, предел упругости, предел текучести) растут; характеристики пластичности и вязкости (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) падают.

Упрочнение металлов и сплавов, полученное в процессе пластической деформации, называется нагартовкой или наклепом.

Поверхностные дефекты имеют малый размер только в одном направлении. К ним относятся границы между зернами, блоками зерен, поверхности раздела между отдельными твердыми фазами и т.д.

Все несовершенства кристаллической решетки искажают последнюю и оказывают большое влияние на свойства металла. Несовершенства

кристаллического строения могут образовываться в процессе кристаллизации, а также при последующей обработке: обработке давлением, термической, термомеханической и т.д.