Дефекты кристаллической решетки металлов

Кристаллическая решетка даже очень чистых металлов по различным причинам содержит большое количество разнообразных дефектов. Известно четыре типа дефектов кристаллической решетки металлов (табл. 5.1).

Точечные дефекты. Энергия колебаний каждого атома может существенно отличаться от среднестатистической, характерной для данного металла и заданной температуры. Это явление называется флуктуацией энергии.

Флуктуация энергии приводит к образованию различных дефектов кристаллической структуры металлов. При кристаллизации некоторые атомы, расположенные на поверхности твердой фазы, могут покинуть предписанные им положения, и в решетке получаются отдельные незаполненные узлы – вакансии. Обмениваясь энергией с атомами жидкой фазы, атом, получив импульс, направленный в сторону твердой фазы, может проникнуть в уже сформировавшийся кристалл и застрять в нерегулярном положении. Это второй вид точечных дефектов – межузельный атом. Вакансии и межузельные атомы могут возникать в кристаллах и после их затвердевания. Если из-за флуктуации атом получит энергию, достаточную для преодоления сил взаимодействия с соседями, и выйдет из узла решетки, то образуется дефект, представляющий собой сочетание вакансии и межузельного атома (пара Френкеля).

Вокруг вакансии и межузельного атома происходит возмущение, и атомы смещаются от положений равновесия, характерных для бездефектной решетки. Однако вакансия вносит меньшие искажения, чем межузельный атом, поэтому количество межузельный атомов неизмеримо меньше количества вакансий.

Таблица 5.1.Классификация и характеристика дефектов кристаллической решетки

    Равновесная концентрация ваканций исключительно сильно увеличивается с повышением температуры. Вакансии легко взаимодействуют с другими дефектами и поэтому играют важную роль в процессе пластической деформации.

Рис. 5.5. Модель линейных дефектов.

а – краевая дислокация (Е – экстраплоскость, L – линия дислокации, D – ядро дислокации, а – параметр решетки; S – плоскость скольжения); б – винтовая дислокация (b – вектор Бюргерса).

Линейные дефекты – дислокации. Представление о дислокации возникли в связи с противоречиями между теоретическими экспериментальными данными, относящимися к скольжению в кристаллах. Дислокации послужили основой для создания такой модели кристаллического тела, которая позволила устранить отмеченные противоречия, объяснить механизм пластической деформации и упрочнения кристаллических тел, предсказать некоторые эффекты, связанные с ростом кристаллов, их пластической деформацией, повышением прочности кристаллических тел.

Установить существование дислокаций экспериментально, изучить их свойства и обнаружить источники оказалось возможным лишь в 50-х годах после создания достаточно совершенных электронных микроскопов.

Различают краевую (рис. 5.5, а) и винтовую (рис. 5.5, б) дислокации. Краевая дислокация – это дефект, связанный со смещением нескольких рядов атомов из регулярного положения, соответствующего представлению об идеальном кристалле. Чтобы получить краевую дислокацию, необходимо взять идеальный кристалл, расщепить его по кристаллической плоскости на некоторую глубину и в образовавшийся зазор вставить дополнительную плоскость – экстраплоскость. Введем следующие понятия и дадим, их определения. Линия дислокации – линия L, соединяющая атомы, лежащие на краю экстраплоскости. Ядро дислокации – множество атомов, окружающих линию дислокации и отстоящих от нее примерно на один параметр решетки.

Дислокации обладают подвижностью. Достаточно приложить к кристаллу сравнительно небольшое напряжение, чтобы вызвать перемещение дислокации.

Винтовая дислокация (рис. 5.5, б) – это дефект, обусловленный искривлением части кристаллографических плоскостей, образует виток винтовой линии. При таком искажении кристалла экстраплоскость отсутствует. В зависимости от направлений искривления кристаллографических плоскостей различают правую и левую винтовые дислокации (на рис. 5.5, б показана правая дислокация).

Винтовые дислокации также обладают подвижностью. Движение винтовой дислокации не сопровождается переносом массы и не обусловлено диффузионными перемещениями атомов. Поэтому, как и консервативное движение краевой дислокации, оно может происходить при каких угодно температурах, вплоть до абсолютного нуля.

Деление дислокаций на краевые и винтовые в известной мере условно: оно используется главным образом в методических целях, чтобы упростить подход к изучению линейных дефектов кристаллической решетки. В действительности дислокации являются смешанными.

Краевая и винтовая дислокации – это простейшие модели линейных дефектов. Сейчас известны и другие, более сложные: геликоидная, двойникующая, призматическая, расщепленная, сверхструктурная, сидячая, частичная дислокации. Несмотря на некоторые их отличия друг от друга, в процессах пластической деформации все они играют одинаковую роль. Дислокационные линии могут разветвляться. При этом образуются дислокационные сетки. Особенность этих дислокаций – их низкая подвижность.

Важной характеристикой состояния кристалла служит плотность дислокаций. Плосность дислокаций ρ – это суммарная длина линий дислокаций l_∂, приходящихся на единицу объема кристалла V:

.                                         (5.1)

    Плотность дислокаций в кристалле меди, приготовленном обычным способом, составляет 10⁶ см^-2. После специального длительного отжига ее удается снизить до 10⁵...10⁴ см^-2. В особых условиях кристаллизации можно вырастить кристаллы с плотностью дислокаций 10³...15·10² см^-2. Изменение плотности дислокаций приводит к существенному изменению свойств кристаллов.