10162

ственным стандартам

10

1.2.Атомно-кристаллическое строение и свойства металлов

1.2.1.Основные типы кристаллических решеток

Строение кристаллической решетки описывается элементарной ячей-

кой. Элементарная ячейка – это наименьший объем кристалла, дающий представление о строении всего кристалла. Характеристики ячейки – ребра a, b, c и углы между ними α, β, γ; отрезки a, b, c называются пе-

риодами решетки.

В металлах атомы располагаются в строгом порядке, как атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве – атомнокристал-

лическую решетку (рис. 1 . 3). Линии на этих схемах являются услов-

ными; в действительности никаких линий не существует, а атомы ко-

леблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки с большой часто-

той.

Типы кристаллических решеток различны. Наиболее часто встре-

чаются следующие решетки: кубическая объемно-центрированная, куби-

12

ческая гранецентрированная и гексагональная плотноупакованная.

Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приведены на рис. 1 . 4. В ячейке кубической объемно-центрированной решетки атомы расположены в вершинах куба и в еѐ центре; такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной атомы расположены в вершинах и в центре каж-

дой грани куба; такой решеткой обладают алюминий, никель, медь,

свинец и др.

Рис. 1.4. Элементарные ячейки кристаллических решеток:

а) кубическая объемно-центрированная;

б) кубическая гранецентрированная; в) гексагональная плотноупако-

ванная

В ячейке гексагональной решетки атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В

реальном металле кристаллическая решетка состоит из огромного количества ячеек.

13

1.2.2. Реальное строение металлических кристаллов

Порядок в расположении атомов (упаковка) имеется не по всему объему кристалла (кристаллической решетки). В реальности кристаллы в структуре металла имеют структурные несовершенства: точечные,

линейные и поверхностные.

Точечные (нульмерные) несовершенства – это дефекты, которые в трѐх пространственных измерениях (X, Y, Z) малы, при этом их раз-

меры не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным де-

фектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки

(вакансии); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки, – дислоцированные атомы (дефект Френкеля);

в) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки – примесные атомы и их комплексы. Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздействием тепло-

вых, механических, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами. Наиболее важными точечными дефектами являются вакансии.

Известно, что атомы находятся в колебательном движении, чем выше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Большинство атомов металла в кристаллической решетке обладает одинаковой (средней) энер-

гией и колеблется с одинаковой амплитудой, а отдельные атомы имеют значительно превышающую среднюю энергию. Такие атомы обладают не только большей амплитудой колебаний, но и способны перемещаться из одного места расположения в другое. Как правило, наиболее легко пере-

двигаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность (напри-

мер, атом 1, рис. 1 . 5,а). Участок, где находился такой атом (свободный узел), называется вакансией, которая не остается свободной. Через некоторое время в нее перемещается один из соседних атомов из бо-

лее глубокого слоя (например, атом 2, рис. 1.5,б), а покинутый им

14

узел также становится вакансией; затем перемещается, например, атом

3 (рис. 1 . 5,в) и т. д. Таким образом, вакансия перемещается в глубь кристалла. Как видно из рис. 1 . 5,г, вакансия искажает кристалличе-

скую решетку. Количество вакансий увеличивается с повышением температуры и они чаще переходят из одного узла в другой. Вакансии играют основную роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах.

Рис. 1.5. Вакансии в кристаллической решетке

Если атом переходит не на поверхность, а внедряется в междоузлие,

образуется пара точечных дефектов (вакансия и междоузельный атом). Эту пару называют дефектом Френкеля. В ионных кристаллах одиночные ва-

кансии сами по себе возникать не могут, вследствие ограничений, вызван-

ных электронейтральностью структуры. Поэтому возникают или дефекты Френкеля, или пара вакансий (катионные и анионные), которые называют-

ся дефектами Шоттки. Различные типы точечных дефектов показаны на рис. 1.6, но их структура заметно сложнее.

15

г д е

Рис. 1.6. Различные типы дефектов в кристаллах: а - вакансия;

б – междоузельный атом; в – небольшой дефект замещения; г – боль-

шой дефект замещения; д – дефект Френкеля; е – дефект Шоттки (пара вакансий в катионной и анионной подрешетках)

Точечные несовершенства появляются и как результат присутст-

вия атомов примесей. Атомы примесей или замещают атомы основ-

ного металла в кристалле решетки, или располагаются внутри кри-

сталлической решетки, искажая еѐ.

Линейные (одномерные) несовершенства называются дислокациями.

Они имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Имеются различные виды дислокаций, одной из которых является краевая (линейная) дислокация.

В идеальном кристалле происходит сдвиг на одно межатомное рас-

стояние одной части кристалла относительно другой, вдоль какой-либо

16

атомной плоскости на участке ADEF (рис. 1.7,а).

Рис. 1.7. Схемы краевой дислокации:

а) образования; б) расположения атомов в плоскости, перпендикуляр-

ной линии дислокации AD

Как видно, влево сдвинулась только часть кристалла, находящаяся правее плоскости ABCD. При таком сдвиге число рядов атомов в верхней части кристалла на один больше, чем в нижней (рис. 1.7,б). Плоскость

ABCD (рис. 1.7,а) представляет собой в данном случае как бы лишнюю атомную плоскость (называемую экстраплоскостью), вставленную в верх-

нюю часть кристалла (АВ, рис. 1.7,б). Линия AD (рис. 1.7,а), перпендику-

лярная направлению сдвига, являющаяся краем экстраплоскости, называ-

ется краевой или линейной дислокацией, длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Особым свойством дислокаций является их подвижность. Объясняется это тем, что кристаллическая ре-

шетка в зоне дислокаций упруго искажена, атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного положения в кристаллической решетке и поэтому атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в рав-

новесное положение.

Дислокации другого типа образуются при смещении частей кристалла

17

не перпендикулярно, а параллельно линии рассечения; они называются винтовыми дислокациями (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Конфигурация винтовой дислокации

Если нарисовать контур на плоскости, перпендикулярно линии обры-

ва так, чтобы он окружал винтовую дислокацию, то этот контур никогда не замкнется, а превратится в спираль вокруг линии дислокации.

Дислокации рождаются в процессе кристаллизации, пластической деформации, термической обработки и т.д. Они присутствуют в ме-

Большое влияние на механические и многие другие свойства метал-

лов и сплавов оказывают не только плотность, но и расположение дислокаций в объѐме.

В общем случае в плоскости скольжения линия дислокации представ-

ляет собой произвольной формы пространственную линию, т.е. является смешанной дислокацией, отдельные малые участки этой кривой имеют краевую или винтовую ориентацию, но большая ее часть не перпендику-

лярна и не параллельна вектору сдвига.

Поверхностными ( д в у м е р н ы м и ) несовершенствами являются

18

границы зерен и блоков металла. Они малы только в одном измерении.

На границе между зернами атомы имеют менее правильное распо-

ложение, чем в объеме зерна. Зерна разориентированы, повернуты друг относительно друга на несколько градусов. По границам зерен скапли-

ваются дислокации и вакансии. Зерно состоит из большого числа разориен-

тированных на очень небольшие углы (десятые доли градусов) областей,

называемых субзернами или блоками (рис. 1 .9), границы которых пред-

ставляют собой дислокации, разделяющие зерно на блоки.

Рис. 1.9. Схема блочной структуры кристалла

В отличие от них объемные дефекты в атомном масштабе макроско-

пические – они имеют во всех трех измерениях относительно большие размеры, несоизмеримые с атомным диаметром. К объемным дефектам относятся поры, включения, трещины, царапины и т.п., когда говорят о несовершенствах металлических кристаллов, то чаще всего имеют в виду микроскопические дефекты.

1.2.3.Анизотропия кристаллов

Впространственном объѐме кристаллической решетки атомы рас-

положены с различной плотностью и поэтому многие свойства кри-

сталлов в различных направлениях различны. Такое свойство материи называется анизотропией.

19