Реальное строение металлических кристаллов
Кристаллы металлов обычно имеют небольшие размеры. Поэтому металлическое изделие состоит из очень большого числа кристаллов. Подобное строение называется поликристаллическим. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом агрегате называются зернами, или кристалликами.
Различие отдельных зерен состоит в различной пространственной ориентации и наименьшем расстоянии от данного атома для различных решеток.
1.5.Ориентации кристаллической решетки.
В общем случае ориентация кристаллической решетки в зерне случайна, с разной степенью вероятности может встретится любая ориентация ее в пространстве.
При очень медленном отводе тепла при кристаллизации, а также с помощью других специальных способов может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, называемый монокристалл. Характер и степень нарушения правильности или совершенства кристаллического строения определяют в значительной мере свойства металлов. Поэтому необходимо рассмотреть встречающиеся несовершенства кристаллического строения или что-то же самое строение реальных кристаллов.
Одним из видов несовершенств кристаллического строения является наличие незанятых мест в узлах кристаллической решетки, или иначе - вакансии, или атомных дырок (рис.1.3 ). Такой "точечный" дефект решетки играет важную роль при протекании диффузионных процессов в металлах.
Число вакансий при комнатной температуре очень мало по сравнению с общим числом атомов (примерно 1 вакансия на 10 18 атомов), несильно увеличивается с повышением температуры, особенно вблизи температуры плавления (1 вакансия на 10 4 атомов).
Другим важнейшим видом несовершенства кристаллического строения являются так называемые дислокации (рис.1.4 ). Представим себе, что в Кристаллической решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость. Край такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется краевой дислокацией. Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки, может быть прямой, но может и выгибаться в ту или иную сторону. В пределе она может закрутиться в спираль, образуя винтовую дислокацию. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Расстояние от центра, дефекта до места решетки без искажения принимают равным ширине дислокации, она невелика и равна нескольким атомным расстояниям.
Таким образом , правильность кристаллического строения нарушается двумя видами дефектов - точечными (вакансии) и линейными (дислокациями). Вакансии непрерывно перемещаются в решетке, когда соседствующий в ней атом переходит в "дырку", оставляя пустым свое старое место. Повышение температуры, тепловой подвижности атомов увеличивает число таких актов и увеличивает число вакансий.
Линейные дефекты не двигаются самопроизвольно и хаотически, как вакансии. Однако достаточно небольшого напряжения, чтобы дислокация начала двигаться, образуя плоскость, а в разрезе - линию скольжения С.
Свойства отдельно взятого кристалла (монокристалла) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направление. Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропы. Анизотропия - особенность любого кристалла, характерная для кристаллического строения.
Реальное строение металлических кристаллов
Важное значение в технике имеют полиморфные превращения в железе. На рис. 5 представлена кривая охлаждения чистого железа от расплавленного состояния до комнатной температуры. До температуры 1539 о С железо остается жидким. При температуре 1539 °С начинается кристаллизация и образуется α-железо, имеющее кубическую объемно-центрированную решетку; между температурами 1392 и 911 о С происходит перестройка этой решетки в новую модификацию — γ-железо с образованием кубической гранецентрированной решетки. Ниже температуры 911 °С железо переходит в новую форму — α-железо с кубической объемно-центрированной решеткой. При температуре 768 °С происходит последняя температурная остановка с образованием магнитной формы α-железа, в которой сохраняется объемно-центрированная решетка. Магнитное превращение при 768 °С не является полиморфным, так как при нем не происходит изменения кристаллической решетки.
Реальный металлический кристалл всегда имеет большое количество дефектов кристаллического строения, которые нарушают периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Дефекты оказывают значительное влияние на свойства металла. По геометрическим признакам они подразделяются на точечные, линейные и поверхностные.
Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. Их величина не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся
вакансии, представляющие собой узлы кристаллической решетки в которых отсутствуют атомы (рис. 6,а), а также замещенные атомы
примеси (рис. 6,б) и внедренные атомы (рис. 6,в), которые могут быть как примесными, так и атомами основного металла. Точечные дефекты вызывают местные искажения кристаллической решетки, которые затухают достаточно быстро по мере удаления от дефекта. Точечные дефекты появляются чаше всего вследствие тепловых колебаний атомов. Некоторые атомы, обладающие повышенной энергией, при этих колебаниях перемещаются из одного места в другое, создавая вакансии и внедренные атомы. Поскольку амплитуда колебаний атомов сильно увеличивается с повышением температуры, концентрация точечных дефектов значительно повышается при нагреве, особенно вблизи температуры плавления. Точечные дефекты не являются неподвижными, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке.
Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Эти дефекты называют дислокациями. Краевая дислокация (рис. 7) представляет собой искажение кристаллической решетки, вызванное наличием «лишней» атомной полуплоскости (экстраплоскости). Край экстроплоскости, перпендикулярный направлению сдвига, и является краевой дислокацией. Линия дислокации перпендикулярна
Кроме краевых встречаются винтовые дислокации, которые вызываются сдвигом на одно межатомное расстояние одной части кристаллической решетки относительно другой по какой-нибудь плоскости π под действием внешних касательных сил Р (рис. 8). Вокруг линии АВ, которая является линией дислокации, атомные плоскости закручены по винтовой поверхности.
Длина дислокации достигает многих тысяч атомных диаметров, а ширина составляет несколько атомных диаметров. Подплотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокаций, приходящуюся на единицу объема кристалла. Поэтому размерность плотности дислокаций — см 2 . Дислокации присутствуют в металлических кристаллах в очень большом количестве, их плотность составляет 10 6 -10 12 см 2 .
Так как атомы в зоне дислокаций смещены относительно их равновесного состояния, кристаллическая решетка в этой зоне упруго искажена. Атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Поэтому дислокации обладают легкой подвижностью и способностью к размножению. Образуются дислокации в процессе кристаллизации металла, при пластической деформации, термической обработке и некоторых других процессах.
Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. Чаще всего это граница раздела двух различно ориентированных участков кристаллической решетки. На этой границе нарушается правильное расположение атомов. Помимо этого, на границах скапливаются линейные и точечные дефекты, концентрируются примеси. Граница представляет собой переходную зону шириной в несколько атомных расстояний.
Кроме перечисленных в металле имеются макроскопические объемные дефекты. К ним относятся поры, трещины, газовые пузыри, неметаллические включения и т. д.
1.4. Реальное строение металлических кристаллов
Обычно кусок металла состоит из скопления большого числа маленьких кристаллов неправильной формы, называемых зернами. Кристаллические решетки в отдельных зернах ориентированы относительно друг друга случайным образом. В некоторых случаях, например, при холодной прокатке, наблюдается преимущественная ориентировка зерен – текстура (рис. 1.6).
Поверхности раздела зерен называются границами зерен. Металл с таким строением зерен называется поликристаллом. При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, его называют монокристаллом. В настоящее время в лабораториях выращивают монокристаллы массой в несколько сот грамм и более.
Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают такой строгой периодичностью в расположении атомов, о которой говорилось выше, т.е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения.
Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).
Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия) аналогично межузельным атомам (примеси внедрения) (рис. 1.7).
При переходе атома из равновесного положения (узла) в междоузлие возникает пара вакансия – межузельный атом, которая называется дефектом Френкеля, а если атом из своего узла выходит на поверхность кристалла, то образующийся дефект называется дефектом Шоттки.
Точечные дефекты являются центрами локальных искажений в кристаллической решетке. Однако заметные смещения атомов, окружающих вакансию или межузельный атом, создаются только на расстояниях нескольких атомных диаметров от центра дефекта, и поля упругих напряжении являются близкодействующими, т.е. быстро убывают (с увеличением расстояния).
Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации (рис. 1.8).
Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой. Если в идеальной решетке провести контур (контур Бюргерса) вокруг любого произвольного места, т.е.
В реальной решетке, содержащей дислокации (рис. 1.8, а), контур Бюргерса не сомкнется, т.е. число параметров решетки по разные стороны дислокации будет отличаться на величину b, которая называется вектором Бюргерса. Для краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен линии дислокации (вектору l), а для винтовой параллелен.
Плоскость, проходящая через векторы b и l, называется плоскостью скольжения. Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации (рис. 1.9), поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения.
Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расплава. Основным механизмом размножения дислокаций при пластической деформации являются так называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокаций, закрепленные на концах, которые под действием напряжения могут прогибаться, испуская при этом дислокации, и вновь восстанавливаться.
Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в несколько межатомных расстояниях в третьем измерении. К ним относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхности кристалла. Под дефектами упаковки подразумевают локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле.
Например, в ГЦК решетке плотноупакованные плоскости расположены так, что каждый четвертый слой находится в той же позиции, что и первый. Однако изменение чередования плоскостей таким образом, что каждый третий слой будет повторяться, т.е. атомы будут располагаться в тех же позициях, и приведет к образованию дефекта упаковки.
Одним из видов дефектов являются так называемые двойники. Двойникованием, т.е. образованием двойников, называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки (рис.1.10). Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла. Обычно деформация двойникованием протекает в тех случаях, когда деформация скольжением, т.е. путем движения дислокаций, затруднена.
Исследования строения металлов показали, что зерна в поликристаллах не являются монолитными, совершенными монокристаллами, а состоят из отдельных, так называемых субзерен (блоков), повернутых одно относительно другого на малый угол. Границы субзерен и зерен в металлах принято разделять на малоугловые (угол разориентировки менее 5°) и большеугловые (более 5°).
Малоугловые границы наблюдаются, как правило, между субзернами и имеют дислокационное строение (рис. 1.11). В простейшем случае малоугловую границу можно представить с помощью ряда параллельных краевых дислокаций. Структура большеугловых границ более сложная.
К объемным (трехмерным) дефектам относятся такие, которые имеют размеры в трех измерениях: макроскопические трещины, поры, газовые раковины, образовавшиеся на различных этапах технологического процесса производства отливок или при дальнейшей обработке этих полуфабрикатов.
Обычно кусок металла состоит из скопления большого числа маленьких кристаллов неправильной формы, называемых зернами. Кристаллические решетки в отдельных зернах ориентированы относительно друг друга случайным образом (в некоторых случаях, например, при холодной прокатке, наблюдается преимущественная ориентировка зерен — текстура. Поверхности раздела зерен называются границами зерен. Такой кусок металла является поликристаллом. При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, его называют монокристаллом. В настоящее время в лабораториях выращивают монокристаллы массой в несколько сот грамм и более.
Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают такой строгой периодичностью в расположении атомов, о которой говорилось выше, т. е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения.
Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные). Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия) аналогично межузельным атомам (примеси, внедрения) (рисунок 4).
Рисунок 4 – Точечные дефекты: 1 – примесный атом замещения;
2 – вакансия по Шоттки;
3 – примесный атом внедрения;
5 – вакансия по Френкелю;
6 – примесный атом замещения
При переходе атома из равновесного положения (узла) в междоузлие возникает пара вакансия — межузельный атом, которая называется дефектом Френкеля, а если атом из своего узла выходит на поверхность кристалла, то образующийся дефект называется дефектом Шоттки, Точечные дефекты являются центрами локальных искажений в кристаллической решетке. Однако заметные смещения атомов, окружающих вакансию или межузельный атом создаются только на расстоянии нескольких атмоных диаметров от центра дефекта и быстро убывают по мере удаления от дефекта.
Точечные дефекты, хотя и требуют определенной затраты энергии для образования, являются термодинамически равновесными, т. е. всегда присутствуют в кристалле. Это связано с тем, что точечные дефекты повышают энтропию системы.
Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации — линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации (рисунок 5). Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой.
Рисунок 5 – Схема краевой (линейной дислокации)
Дислокации не могут обрываться внутри кристалла — они должны быть либо замкнутыми, либо выходить на поверхность кристалла. Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально расстоянию от них. Наличие упругих напряжений вокруг дислокаций приводит к их взаимодействию, которое зависит от типа дислокаций. Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации, поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения. Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расплава.
Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в нескольких межатомных расстояниях в третьем измерении. К ним относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхности кристалла. Под дефектами упаковки подразумевают локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле.
Как видно из первого раздела лекции некоторые металлы могут иметь несколько видов кристаллических решеток (железо, кобальт, олово, титан) Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией.
Более точно можно сказать, что полиморфизм это способность металла менять тип кристаллической решетки при изменении температуры или давления.
Полиморфизм дает возможность кардинально изменять свойства металла при изменении внешних факторов, что позволяет в частности проводить для этих металлов термическую обработку. Аллотропические формы металлов приведены в таблице 1.
1.2.2. Реальное строение металлических кристаллов
Необходимо знать, что порядок в расположении атомов (упаковка) имеется не по всему объему кристалла (кристаллической решетки). В реальности кристаллы в структуре металла имеют структурные несовершенства: точечные, линейные иповерхностные.
Точечные несовершенства – это дефекты, которые в трёх пространственных измерениях (X, Y, Z) малы, при этом их размеры не превышают нескольких атомных диаметров. Известно, что атомы находятся в колебательном движении, чем выше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Большинство атомов металла в кристаллической решетке обладает одинаковой (средней)энергией и колеблется с одинаковой амплитудой, а отдельные атомы имеют энергию, значительно превышающую среднюю энергию. Такие атомыобладают не только большей амплитудой колебаний, но и способны перемещаться из одного места расположения в другое. Как правило, наиболее легко передвигаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность (например, атом 1, рис. 4,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 более глубокого слоя (например, атом 2, рис. 4,б), а покинутый им узел также становится вакансией; затем перемещается, например, атом 3 (рис. 4,в) и т. д. Таким образом, вакансия перемещается в глубь кристалла. Как видно из рис. 4,г,вакансия искажает кристаллическую 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.
Точечные несовершенства появляются и как результат присутствия атомов примесей. Атомы примесей или замещают атомы основного металла в кристалле решетки, или располагаются внутри кристаллической решетки искажая её.
Линейные 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 расстояние одной части кристалла относительно другой, вдоль какой-либо атомной плоскости на участке ADEF (рис. 5,а). 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. 5,б). Плоскость ABCD (рис. 5,а) представляет собой в данном случае как бы лишнюю атомную плоскость (называемую экстра-плоскостью), вставленную в верхнюю часть кристалла (АВ, рис. 5,б). Линия AD (рис. 5,а), перпендикулярная направлению сдвига, являющаяся краемэкстраплоскости, называется краевой или линейной дислокацией, длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний.
Особым свойством дислокаций является их подвижность. Объясняется это тем, что кристаллическая решетка 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 равновесное положение.
Необходимо знать, что дислокации рождаются в процессе кристаллизации, пластической деформации, термической обработки и т.д.
Они присутствуют в металлических кристаллах в огромном количестве (10 6 –10 12 см -2 ). Большое влияние на механические и многие другие свойства металлов и сплавов оказывают не только плотность, но и расположение дислокаций в объёме.
Поверхностными несовершенствами являются границы зерен и блоков металла. Они малы только в одном измерении. На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Зернаразориентированы, повернуты друг относительно друга на несколько градусов. По границам зерен скапливаютсядислокации и вакансии. Зерно состоит из большого числа разориентированных на очень небольшие углы (десятые доли градусов) областей, называемых субзернами или блоками (рис. 6). Границы блоков представляют собой дислокации, разделяющие зерно на блоки.
Читайте также: