6-10

6. Дефекты кристаллической решетки.

Процессы деформирования и разрушения твердых кристалли-ческих тел при нагружении изучают с двух позиций: макрос-копической, связанной с пред-ставлением тела в виде облас-ти, заполненной непрерывной сплошной средой, и ми­кроско-пической, основанной на предс-тавлении о дискретном строе-нии тела (атомы, молекулы).

Анализ процессов деформиро-вания и разрушения твер­дого тела с микроскопической точки зрения основан на изу­чении дефектов кристаллической решетки и соответствую­щих им напряжений, вызванных дейст-вием на тело внешних сил. Кристаллические тела вследст-вие относительно неболь­ших размеров кристаллов состоят из множества кристаллов, а подобное строение называется поликристаллическим. Ча­сто говорят, что поликристалличес-кие материалы при отсут­ствии преимущественных ориенти-ровок (текстур) статисти­чески изотропны.

В процессе кристаллизации каждый кристалл, пока он окружен жидкостью, часто имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и оказы-вается зависимой от условий сопри­косновения растущих кри-сталлов. Кристаллы неправиль-ной формы в поликристалл-лическом агрегате называются зернами или кристаллитами. Различие отдельных зерен заключается разной пространст-венной ориентации кристалли-ческой решетки. Однако на практике такое состояние не является единственным. Пластическое деформирование (прокатка, во­лочение, калибров-ка) приводит к преимуществен-ной ориентировке зерен.

Чтобы классифицировать дефекты кристаллической решетки, необходимо ввести некоторое понятие совершен-ного кристалла, относительно которого можно определять харак­терные признаки несовершенств кристаллической решетки. Совершенным крис-таллом называется полностью симметрич­ная бесконечная структура с атомами, размещен-ными строго в узлах решетки, причем кристалл в целом находится в сво­ем основном квантовомеханическом состоя-нии (при Т=ОК, когда кван-товомеханическая система име-ет наименьший энер­гетический уровень). При любых нарушениях в расположении атомов или возбуждениях основного состояния говорят о не­совершенном кристалле. Характером и степенью нарушения правильности, или совершенства, кристалличес-кого строения в значительной мере определяются свойства кристаллических тел.

Совокупность дефектов решетки и их пространственное распределение в кристалле называют субструктурой кри­сталла. Несмотря на незначительную концентрацию дефек­тов решетки, они оказы-вают на многие структурно-чувстви­тельные св-ва сущест-венное, а на некоторые (напри-мер, на пластичность) решаю-щее влияние.

Условимся различать безде-фектные и дефектные области. Последние можно ограничить поверхностями, проходящими полностью по бездефектным областям. Если такие замкну­тые объемы ни в одном из измерений не превышают размеров атомов, то говорят о нульмерных, или точечных, дефектах. Это незанятые узлы решетки — вакансии; неправи-льно заня­тые узлы решетки — примесные атомы; атомы, разместив­шиеся в межатомных промежутках, — межузельные чужие внедренные атомы.

Если размеры дефектной области хотя бы в одном напра­влении превышают размеры атомов, то говорят об одномер­ных, или линейных, дефектах решетки, называемых дислока­циями.

Имеются также двумерные дефекты решетки: границы зерен, дефекты упаковки, границы двойников.

Дефектную трехмерную область, размеры которой пре­вышают размеры атомов, можно рассматривать как новую фазу.

Прочность кристалла в зависимости от дефекта решетки

7. Классификация типов дефектов.

В общем случае типы дефектов можно классифицировать следующим образом.

1). Колебания решетки.

2). Вакансии и внедренные атомы. Незанятый узел решетки называется вакансией (рис. а), а атомы, расположен-ные между узлами, назы-ваются внедренными (рис. в).. Число вакансий при нормальной (комнатной) температуре мало по сравнению с общим числом атомов (для металлов примерно 1 вакансия на 10¹⁸ атомов), но сильно уве­личивается с повы-шением температуры, особенно когда она становится близкой к температуре плавления (1 вакансия на 10⁴ атомов).

Схемы точечных дефектов: а — вакансия; б — замещен-ный атом; в — вне­дренный атом

Схема дефектов (вакансий) по Шотки (1) и по Френклю (2).

Различают вакансии по Шотки (рис.1.), когда атом после отрыва от своего места в решетке попадает в конеч­ном счете на поверхность кристалла (возможно, и на вну­треннюю), и вакансии по Френкелю (рис.2), когда такой атом остается внутри решетки. Это означает, что одновре­менно с вакансией по Френкелю всегда образуется межузельный внедренный атом.

3).Примеси. Инородные атомы называются примесью замещения (рис. б) или примесью внедрения (рис. в) в зависимости от того, занимают они место в узлах решетки или между ними.

Примеси, вакансии и внедренные атомы — это точечные дефекты.

4).Дислокации. Линейные дефекты кристаллической ре-шетки называются дислока-циями. Пусть в кристалли-ческой решетке по каким-либо причинам появилась лиш­няя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость (рис. 3, а). Край 1—1 такой плоскости образует линейный дефект решетки, который назы-вается краевой дислокацией. Краевая дислокация может иметь любую форму и в пределе может перейти в спираль, образуя винтовую дислокацию (рис.3,б).

Рис 3. Краевая (а) и винтовая (б) дис­локации в кристаллической решетке.

5).Беспорядок. Некоторые кристаллы состоят более чем из одного типа атомов, например ионные кристаллы NaCl. В совершенном (полностью сим-метричном) кристалле каждый узел решетки занят опре-деленным химическим элемен-том. Если же некоторый химический элемент занимает не соответ­ствующий ему узел решетки, то образуется дефект, который называют беспорядком.

6). Поверхности. Любой реаль-ный кристалл ограничен в пространстве, поэтому струк-тура идеальной решетки у по­верхности нарушается и атомы в окрестности поверхности не могут находиться в полностью симметричном положении. Кро-ме внешних поверхностей крис-талл может иметь также внутренние поверхности: границы зерен и дефекты упаковки. Граница зерна представляет собой разупоря-доченную область, отделяю-щую решетку с одной ориен-тацией от ре­шетки с другой ориентацией. Возможна меж-зеренная граница особого типа, называемая двойником, отно-сительно которой атомы зеркально симметричны друг другу. Дефект упаковки связан с нарушением последователь­ности укладки кристаллических слоев, т.е. с отсутствием какого-либо одного слоя атомов в кристалле. Дефект упаковки представляет собой поверх-ность нерегулярности в криста-лле, в окрестности которого изменяется тип межатомной связи.

7). Электронные дефекты. При выводе системы из основного квантовомеханического состоя-ния (при возбужде­нии каких-либо атомов кристалла) все атомы могут рас­полагаться так же, как в совершенном кристал-ле. Тем не менее вследствие электронного возбуждения ато-мов кри­сталлическая решетка не будет совершенной. Например, в кристалле-изоляторе такими несовершен-ствами являются электроны проводимости.

Приведенная классификация дефектов кристаллической решетки позволяет перейти к описанию строения зерен, сово­купность которых составляет макроструктуру любого реаль­ного кристаллического тела. Зерно не является монолитным кристаллом, построенным из строго параллельных атомных слоев. В действительности оно состоит из мозаики отдельных блоков размерами 10^-7...10^-5 м, кристаллографи­ческие плоскости которых повернуты относительно друг дру­га на небольшой угол, примерно равный нескольким минутам. Такое строение зерна носит название мозаичной струк­туры, а составляющие ее блоки называются блоками мозаики.

Часто блоки объединяются в более крупные агрегаты фрагменты. Каждый фрагмент содержит большое коли­чество блоков.

Таким образом, реальный кристалл содержит атомно-кристаллические (вакансии, дислокации и др.) и структур­ные (блоки, фрагменты) несовершенства.

8. Дислокация. Виды дислокации.

Дислокации в кристаллах, представляющие собой один из наиболее важных типов дефектов, тесно связаны с меха­ническим поведением твердых кристаллических тел и игра­ют важную роль в понима-нии процессов деформирова-ния и разрушения твердых тел. Во-первых, существование физиче­ских дислокаций в кристаллах дает возможность понять, как может начинаться разрушение и каким образом идет процесс пластической релаксации при наличии в теле трещин и микро дефектов различной природы. Во-вторых, понятие дислокации позволяет описать пластическое деформи-рование рассматриваемой сре-ды и дать математическое представление для формиру-ющихся в ней трещин.

Дислокация - линейные дефек-ты кристаллической решетки нарушающий правильное чере-дование атомных плоскостей. Пусть в кристаллической реше-тке по каким-либо причинам появилась лиш­няя полуплос-кость атомов, так называемая экстраплоскость (рис.3а). Край 1—1 такой плоскости образует линейный дефект решетки, который называется краевой дислокацией. Краевая дислокация может иметь любую форму и в пределе может перейти в спираль, образуя винтовую дислокацию (рис.3,б). Если окружить дислокацию трубкой радиусом, примерно равным характерному размеру решетки а, то вне этой трубки кристалл можно считать идеальным и подверг­нутым только упругим деформациям; внутри трубки атомы существенно сместятся относительно своих положений равно­весия, характерных для идеального кристалла, и возникнет структура, называ-емая ядром дислокации.

Наличие деформации вдали от оси дислокации обнару-живают при обходе по узлам решетки вдоль замкнутого контура вокруг ядра дислокации. Если ввести вектор смещения и каждого узла от его положения в идеальном кристалле, то пол-ное приращение этого вектора при обходе по контуру будет отлично от нуля и равно периоду решетки вдоль соответствующей оси.

Рис 3. Краевая (а) и винтовая (б) дис­локации в кристаллической решетке.

Рис. 4. Контур Бюргерса в несовер­шенном (а) и соответствующем идеаль­ном (б) кристаллах

Итак, дислокацией называют особую линию L, имею­щую следующее свойство: при обхо-де по любому замкнуто­му контуру Г, охватывающему ли-нию L (рис. 4, а), вектор смеще-ния и получает определенное конечное приращение b, при этом соответствующий контур Г’ в идеальном кристал­ле полу-чается разомкнутым, и для его замыкания необходи­мо ввести вектор b, соединяющий начало и конец контура Г' (рис. б). Объекты Г и b называются соответственно кон­туром и вектором Бюргерса. При согласованной ориентации осо-бой линии L и контура Г вектор b однозначно определяет­ся дефектом линии L, равен одному из периодов решетки и не зависит от выбора контура Г, причем вектор b перпендикуля­рен экстраплоскости, а его длина пропорциональна числу этих плоскостей.

Направление линейного дефе-кта выбирается только один раз, контур Бюргерса строится в направление вращения правого винта двигающегося вдоль выбранного направления линей-ного дефекта.

Контур Бюргера обладает следующими свойствами:

1). Контуры начинающиеся в одном и том же узле имеют одинаковые невязки.

2). Невязкам эквивалентных контуров Бюргерса соответству-ет один и тот же вектор.

В чистых металлах объемная плотность дислокаций (ко­личество дислокаций, содержа-щихся в 1 см³) имеет порядок 10⁶ см^-3. Часто используется понятие линейной плотности дислокаций: суммарная длина дислокаций (в см), содержа­щихся в 1 см³. Для металлов эта величина имеет порядок 10⁸...10¹³см^-2.

9. Дислокационный механизм упругопластической деф-ции.

Дислокация - линейные дефек-ты кристаллической решетки нарушающий правильное чере-дование атомных плоскостей

Дислокации в кристаллах, представляющие собой один из наиболее важных типов дефек-тов, тесно связаны с меха­ническим поведением твердых кристаллических тел и игра­ют важную роль в понимании процессов деформирования и разрушения твердых тел. Во-первых, существование физиче­ских дислокаций в кристаллах дает возможность понять, как может начинаться разрушение и каким образом идет процесс пластической релаксации при наличии в теле трещин и микро- дефектов различной природы. Во-вторых, понятие дислокации позволяет описать пластическое деформирование рассматрива-емой среды и дать математи-ческое представление для формирующихся в ней трещин.

Наиболее вероятный меха-низм формирования дислокации за счет напряжений сдвига в неоднородном кристалле пока­зан на рис.1, откуда следует, что перемещение дислока­ции в плоскости скольжения приводит к результирующему сдвигу кристаллических блоков на величину, равную моду­лю вектора Бюргерса b. Для достижения того же эффекта сдвигом без участия дислокаций требуются напряжения сдви­га, на несколько порядков большие, что еще раз указывает на исключительную роль дислока-ций в процессе пластического деформирования твердого тела.

Рис. 1. Схема формирования дислока­ции под действием напряжений сдвига

На прочность влияет химический состав сплава, режим термической обработки…

10. Основные типы деформирования: скольжение и двойникование.

С микроскопической точки зрения пластическое дефор­мирование характеризуется возникновением деформаций и разрушением зерен, скольже-нием по кристаллографическим плоскостям, образованием по-лос скольжения и двойникова-нием. Способность среды деформироваться путем тече-ния зерен увеличивается при высоких давлении и температуре и умень­шается при низкой температуре и высокой скорости дефор­маций. Искаже-ние формы зерен в определен-ном направлении является следствием того, что отдельное зерно в поликристаллической среде не может изменять своей формы произвольно. Так как оно ограничено со всех сторон соседними зернами. Со­гласно условию сохранения сплош-ности среды, при деформи­ровании расхождение поверх-ностей зерен невозможно, поэто­му нее зерна удлиняются на одну и ту же величину в одном и том же направлении (ориентированное удлинение зерен).

Скольжением, или трансля-цией, называется смещение одной части кристалла относительно другой по кристаллографическим плоскос-тям, определенным образом ориентированным в кристалле. В свою очередь, в этих плос-костях направлениями сколь-жения являются напра­вления, наиболее плотно усеянные ионами и атомами. Очевид­но, что в каждой кристаллографии-ческой плоскости для ОЦК-решетки имеются два направления скольжения, а для ГЦК- и ГПУ-решеток — по три таких направления. Как уже отме­чалось, скольжение визуа-льно проявляется в возникно-вении параллельных линий на полированной поверхности монокри­сталла.

Двойникованием называется процесс смещения части решет-ки кристалла, в результате ко-торо­го обе ее части ориентиру-ются симметрично относитель-но некоторой плоскости. (рис. б).

Двойникование можно предста-вить как однородный сдвиг одной части кристалла по отношению к другой, парал-лель­ной какой-либо рациональ-ной кристаллографической плоско­сти. При металлог-рафических исследованиях на микрофото­графии фиксируется характерная двойная линия на плоскости двойникования.

Возрастание скорости дефор-маций или понижение темпера-ту­ры способствует бразованию и распространению двойников. По сравнению со скольжением при обычном статическом и квазистатическом нагружении двойникование занимает вто­ростепенное положение: дефо-рмации, возникшие вследствие двойникования, всегда меньше деформаций скольжения. Роль двойникования возрастает, если скольжение невозможно или сильно затруднено, например при высокоскорост-ном деформи­ровании.

Рис. Схемы деформирования кристалла при скольжении (а) и двойниковании (б): ПС — плоскость скольжения; ПД — плоскость двойникования.