Всего на сайте:
183 тыс. 477 статей

Главная | Химия

Атомно-кристаллическое строение  Просмотрен 266

Под атомно-кристаллическим строением понимают взаимное расположение атомов в кристалле. В реальном кристалле всегда есть дефекты кристаллического строения. По геометрическим признакам они делятся на точечные, линейные, поверхностные. К точечным дефектам относятся вакансии (рис. 1.17, а) и внедрённые атомы (рис. 1.17, б). В чистых металлах точечные дефекты оказывают существенное влияние на физические свойства, а в сплавах - на физические и механические.

Рис. 1.17. Точечные дефекты

Линейные дефекты - это дефекты, размер которых в двух направлениях соизмерим с размерами атомов, а в третьем - более значительный.

К линейным дефектам относятся дислокации. Дислокации - это нарушения правильного кристаллического строения материала, обусловленное наличием лишней плоскости в кристалле.

В результате разных причин (при кристаллизации, пластической деформации, структурных превращениях в твёрдом состоянии) образуется лишняя плоскость (экстраплоскость). Вблизи экстраплоскости часть кристалла наиболее искажена. Это - ядро дислокации, которое на рис. 1.18 отмечено окружностью.

Рис. 1.18. Схема расположения атомов в кристалле с экстраплоскостью

Количество дислокаций оценивается плотностью дислокаций, которая представляет собой суммарную протяженность дислокаций, приходящуюся на единицу объёма.

В монокристаллах (в кристаллах, которые выращивают из одного центра) плотность дислокаций р~103 см-2; в поликристаллах р=106…109 см-2, в деформированных поликристаллах р=1011…1012 см-2.

Наличие дислокаций позволило объяснить большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла. Так, теоретическая прочность железа составляет около 13000 МПа, а фактическая — всего 250 МПа.

Такое расхождение теоретической и фактической прочности объясняется тем, что деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомных плоскостей, а путем постепенного перемещения дислокаций. Каждый элементарный акт перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной вертикальной атомной плоскости. Для перемещения дислокаций требуется значительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной части кристалла относительно другой в плоскости сдвига.

При движении дислокации вдоль направления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней его частей лишь на одно межатомное расстояние. В результате перемещения дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает. На поверхности остается ступенька скольжения. Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже прочность металла, тем легче идет пластическая деформация.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов является наличие в структуре дислокаций и других несовершенств кристаллического строения.

Рис. 1.19. Связь между прочностью и плотностью дислокаций

 

Зависимость прочности от плотности дислокаций носит название кривой Одинга и имеет минимум (рис. 1.19). Идеальный металл, в котором нет дислокаций, имеет прочность близкую к теоретической. С увеличением плотности дислокаций прочность сначала снижается до минимума в интервале р=106…109 см-2, затем снова возрастает. С увеличением плотности дислокаций пластичность снижается.

Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных бездислокационных нитевидных кристаллов (так называемых «усов»), прочность которых близка к теоретической.

Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало (левая ветвь, рис. 1.19); 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, повышением плотности дислокаций до р=1011…1012 см-2 методами пластической деформации и термической обработки (правая ветвь, рис. 1.19).

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, субзёрен, блоков. Кристаллические решётки двух соседних зёрен ориентированы под разными углами. Вблизи границы меняется угол ориентации кристаллических решёток. Переходная зона, в пределах которой происходит переориентация кристаллических решёток по обе стороны границы зерна и представляет собой поверхностную границу. Наиболее искажены границы между зёрнами, так как у них наибольший угол разориентации, в меньшей степени - между субзёрнами и блоками.

Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей. Направления скольжения дислокаций в соседних зернах не совпадают. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются. Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла. Увеличение протяжённости границ свидетельствует об уменьшении размера зерна.

 

Контрольные вопросы

1. Какое влияние оказывает химический состав на свойства материалов?

2. Что такое макроструктура?

3. Что можно выявить методом травления?

4. Что представляет собой кристаллический излом? Чем он ха­рактеризуется?

5. Что такое камневидный излом?

6. Чем характеризуется матовый излом?

7. Что такое межкристаллитный и транскристаллитный изломы?

8. Когда появляется усталостный излом и из каких зон он состоит?

9. Что такое микроструктура? Как схематически можно представить микроструктуру?

10. Что такое угол разориентации?

11. Как влияет размер зерна на пластичность и ударную вязкость?

12. Что такое атомно-кристаллическое строение металлов?

13. Какие дефекты кристаллического строения Вам известны?

14. Что такое дислокации и когда они появляются?

  1. Как плотность дислокаций влияет на свойства?

 


Глава 2. Основы теории сплавов

Предыдущая статья:Микроструктура Следующая статья:Типы взаимодействия между компонентами
page speed (0.3476 sec, direct)