» » Дефекты кристаллической решетки
08.02.2017

Все процессы в металле прежде всего связаны с подвижностью его атомов. Благодаря взаимодействию между собой атомы непрерывно обмениваются кинетической энергией, то отдавая ее соседним атомам, то получая от них. В результате уровень кинетической энергии у разных атомов неодинаков. При взаимодействии атомов отклонение кинетической энергии от ее среднего уровня у некоторого, сравнительно небольшого количества атомов может достигать большой величины, в результате чего появляется возможность преодоления этими атомами окружающих потенциальных барьеров, выхода их из узлов кристаллической решетки в междоузлие и даже, что бывает значительно реже, возможность обмена соседних атомов местами. Такое перемещение атомов какого-либо элемента (металлического или неметаллического) в решетке металла называется диффузией. Явление перемещения атомов металла в его же собственной решетке называется самодиффузией.
Возникновение диффузионных потоков атомов обусловливает быстрое изменение структурного состояния сплава, разупрочнение и разрушение кристаллической решетки его твердого раствора под действием напряжений. Вышедший из равновесного положения атом принято называть дислоцированным, а оставшееся пустым место в узле кристаллической решетки — вакантным местом, вакансией или дыркой (рис. 12). Дислоцированный атом и вакансия не остаются неподвижными, а перемещаются по решетке. Вследствие неравномерности распределения энергии между атомами соседний с вакансией атом, обладающий повышенной энергией, может занять ее место; вакансия же окажется на месте этого атома. Число вакантных мест и число дислоцированных атомов не соответствует друг другу. Дело в том, что их зарождение может происходить и независимо одно от другого, причем независимое зарождение вакансий имеет преимущественное значение.
Дефекты кристаллической решетки

Рассмотрим характер взаимодействия вакансий. Перемещаясь беспорядочно по кристаллической решетке, вакансии могут встречаться (т.е. вакантные места образуются в соседних узлах решетки). В результате их скопления возникают более крупного размера дефекты кристаллической решетки — различной величины пустоты (от субмикроскопических, т. е. неразличимых даже при помощи микроскопа, до макроскопических — различимых невооруженным глазом). Взаимодействие вакансий может привести к образованию и другого рода дефектов решетки, так называемых дислокаций т. е. таких дефектов кристаллической решетки, при перемещении которых происходит сдвиг частей кристалла. Образование вакантных мест, их перемещение в кристаллической решетке и взаимодействие между собой имеют существенное влияние не только на прочность, но и на другие физические свойства металлов.
Громадное влияние на строение металлов и их свойства оказывают растворенные атомы, размещенные в кристаллической решетке основного металла. IIx расположение может быть различным в зависимости от природы основного металла и примесей. Взаимодействие основного металла с легирующими элементами приводит к образованию растворов внедрения или в большинстве случаев (в том числе и для алюминия) — растворов замещения.
Атомы легирующих элементов, входящие в кристаллическую решетку твердого раствора замещения в алюминии, в различной степени искажают ее. Величина этих искажений будет тем сильнее, чем больше размеры атомных радиусов легирующих элементов отличаются от размера атомного радиуса алюминия. Замещая атом алюминия в узле кристаллической решетки, легирующий атом вызывает локальное растяжение (когда rл.э≥rA1) или сжатие (rл.э≤rА1) прилегающих к нему участков решетки. Соседние атомы смещаются из положения равновесия, а это приводит к возрастанию их потенциальной энергии и, следовательно, свободной энергии кристаллической решетки. В решетке возникают внутренние силы, представляющие собой равнодействующие сил отталкивания (между положительными ионами) и притяжения (между положительными ионами и свободными электронами). Эти силы неравны нулю и вызывают внутренние напряжения в кристаллической решетке.
Любое дополнительное искажение решетки под действием внешней нагрузки потребует затраты энергии на преодоление этих внутренних сил. Таким образом, увеличение степени искажения кристаллической решетки приводит к увеличению ее прочности. Однако это справедливо лишь для обычных температур, так как решетка, обладающая запасом свободной энергии, термодинамически неустойчива, метастабильна. Поэтому уже при комнатной температуре в ней происходят релаксационные процессы, хотя скорость их обычно очень мала. Это проявляется в естественном старении сплавов систем Al—Mg, Al—Zn и др. Повышение температуры активирует эти процессы, увеличивая диффузионную подвижность атомов, что в конечном итоге приводит к распаду твердого раствора и разупрочнению сплава.
Легирующие элементы, сильно искажающие кристаллическую решетку твердого раствора, в условиях, благоприятствующих развитию диффузии, например при длительном воздействии повышенных температур и напряжений, в меньшей степени способствуют сопротивлению пластическому деформированию, чем элементы, минимально искажающие решетку, но способствующие повышению прочности межатомной связи. Наиболее характерным примером являются сплавы системы Al—Mg, Al—Zn—Mg. Чем выше степень пересыщения твердого раствора этих сплавов, тем сильнее идут процессы разупрочнения и даже разрушения изделий из этих сплавов под действием нагрузки и небольших температур (20—100° С).
Изображенная картина несовершенства строения еще далеко не полная. Можно было бы учесть присутствие разных по природе примесей, наличие различного рода пустот, образующихся в результате слияния вакансий, вследствие усадки и по другим причинам. Еще не рассмотрены несовершенства в металлах, вызванные тем или другим видом обработки (наличие различного рода остаточных напряжений, микро- и субмикроскопичсских трещин и др.), не принималось во внимание наличие особого рода дефектов — дислокаций, о которых будет сказано ниже.
Перечень нарушений строения кристаллической решетки следует дополнить представлением об их динамичности. Это — не застывшее сочетание несовершенства, а непрерывно изменяющаяся во времени и в пространстве картина. Вакантные места и дислокации перемещаются, исчезают и появляются вновь; движутся в решетке и растворенные примеси; изменяют свое положение границы блоков и зерен. В особенности это заметно при повышении температуры, когда становится заметным рост зерен.
Таким образом, строение реальных металлов сильно отличается от идеальной схемы, согласно которой они должны иметь правильную кристаллическую решетку. В действительности наблюдается высокой степени неоднородность строения.
В связи с широкой возможностью применения представлений о дислокациях эти представления непрерывно развивались, получали экспериментальное подтверждение и, наконец, сформировались в стройную теорию, которая находит применение не только для раскрытия природы пластической деформации: с ее помощью объясняют теперь процессы кристаллизации, свойства границ зерен, закономерности механического строения металлов II др.
Перемещение дефектов кристаллической решетки — дислокаций, очевидно, может быть осуществлено лишь при определенном перемещении атомов, расположенных непосредственно в зоне дефекта. Эти перемещения возможны только в том случае, если атомы обладают достаточно высокой энергией, превышающей среднюю энергию их колебаний в положении равновесия, и если имеются свободные места, куда атомы могут перемещаться. В соответствии с современными представлениями о диффузии атомов легирующих элементов в металлах, вакансии связаны с атомами легирующих элементов и образуют с ними комплекс. Существование такого комплекса может влиять на образование и миграцию вакансий в металлах, причем это влияние зависит от валентности и размеров атомов легирующих элементов.
Для определения величин энергии связи в бинарных сплавах алюминия, содержащих и не содержащих малые добавки третьего элемента, авторами работ были использованы различные методы: полученные ими данные приведены в табл. 6.
Дефекты кристаллической решетки

Электронномикроскопические исследования также являются источником информации об энергии связи вакансия — атом легирующего элемента. Эта связь влияет на скорость диффузии вакансий, а следовательно, изменяет скорость переползания дислокаций.
Данные табл. 6 показывают, что энергия связи зависит от концентрации легирующего элемента и имеет наибольшую, величину 6 сплавах систем Al—10,2 Mg; Al—4,39 Zn—0,09 Mg; Al—4,39 Zn—0,003 Zr; Al—1,7 Cu—0,05 Mg и т. д.
Вакансии перемещаются (мигрируют) в кристаллической решетке твердого раствора. При этом их миграция непосредственно связана с самодиффузией атомов основы сплава; ее скорость и величина потока (т. е. количество перемещающихся вакансий) резко возрастает с повышением температуры. Стоками вакансий, т. е. местами их преимущественной миграции, являются свободные поверхности, дислокации, границы зерен и блоков. Большое скопление вакансий в стоках может привести к образованию микротрещин и последующему разрушению сплава под действием относительно небольших напряжений.
Две вакансии при столкновении могут слиться, при этом образуется спаренная вакансия — дивакансия. Уменьшение суммарной поверхности при слиянии вакансий приводит к уменьшению поверхностной энергии. Следовательно, образование дивакансий выгодно энергетически, так как приводит к уменьшению суммарной внутренней энергии сплава. Дивакансии легко мигрируют, так как энергия их перемещения значительно меньше, чем у моновакансий. Например, энергия перемещения моновакансий алюминия составляет -0,58 эВ, а дивакансий ~0,37 эВ.
Взаимодействие дивакансий с моновакансиями может привести к образованию неподвижных комплексов, которые можно рассматривать как «центры кристаллизации» вакансий, вырастающие в субмикроскопические поры. Однако образование большого числа таких скоплении внутри кристаллической решетки маловероятно. Уменьшение суммарной поверхностной энергии за счет коагуляции вакансий должно привести к уменьшению внутренней энергии решетки, однако увеличение степени упорядоченности за счет слияния вакансий приведет к уменьшению энтропии решетки. Поэтому свободная энергия решетки с увеличением количества вакансионных комплексов уменьшается лишь до некоторого предела. Однако в неравновесных условиях (например, при закалке) могут образовываться и более крупные скопления — диски вакансий диаметром до 100 А.
При старении (или отжиге) закаленного сплава концентрация вакансий стремится к равновесной, и избыточные вакансии, особенно наиболее подвижные дивакансии, диффундируют к стокам. При этом может образоваться ультрамикроскопическая пористость, обусловленная коагуляцией избыточных вакансий в крупные скопления.
Концентрация вакансий в сплаве, а также их распределение и аннигиляция в стоках влияют на процессы, протекающие при старении закаленных алюминиевых сплавов (как на кинетику процесса образования продуктов распада твердого раствора, так и на их распределение). Кроме того, вакансии и их скопления могут быть «ловушками» для атомов легирующих элементов и примесей, особенно тех, которые имеют значительно больший размер, чем атомы матрицы (например, магний в алюминии). Это может привести к повышенной локальной концентрации некоторых легирующих и примесных элементов. Энергии связи вакансия — легирующий (примесный) атом для разных элементов могут быть существенно различными.
Вакансии не только нарушают периодичность атомной структуры кристаллической решетки, но и влияют на силу межатомной связи. Замещение вакансией положительного иона в узле кристаллической решетки равносильно помещению туда точечного отрицательного заряда, с которым будут взаимодействовать коллективизированные электроны проводимости, приобретая при этом дополнительную энергию. В отличие от вакансий дислокации в любом количестве и при любых температурах являются термодинамически неравновесными дефектами.
Дислокации в литых сплавах образуются в процессе кристаллизации непосредственно у фронта кристаллизации, а также при охлаждении кристаллитов. Плотность дислокаций может достигать 10в10—10в12 см-2; для отожженных поликристаллов она составляет обычно 10в7—10в8 см-2. Повышение температуры не способствует появлению новых дислокаций, так как энергия их образования довольно высокая (несколько электрон-вольт).
В литом, недеформированном алюминиевом сплаве дислокации образуют в основном дислокационные сетки (плоские или трехмерные), в узлах которых обычно сходятся три дислокации. Наряду с сетками могут существовать отдельные дислокации и дислокационные комплексы, образующиеся при взаимодействии с вакансиями. Исследование закаленных алюминиевых сплавов показало, что в результате взаимодействия избыточных вакансий с дислокациями образуются призматические дислокационные петли (в разбавленных твердых растворах) или геликоидальные дислокации (в сплавах с высоким содержанием легирующего элемента). Образование геликоида вызывается поглощением вакансий на винтовой дислокации; при этом упругая энергия дислокации уменьшается.
Необходимо также остановиться на межатомных силах сцепления, связывающих между собой атомы (частицы) в кристалле. Межатомные или межмолекулярные силы сцепления очень трудно измерить экспериментально, поскольку пределы упругости и прочности, определяемые при механических испытаниях, в первую очередь зависят от наличия дефектов в структуре. Тем не менее общую характеристику сил сцепления атомов в кристаллической решетке можно получить в результате анализа данных о таких свойствах, как температура плавления, теплота сублимации, коэффициент термического расширения и периоды решетки. Большие силы сцепления, как правило, обнаруживаются в кристаллах с высокой температурой плавления и теплотой сублимации.
Электронное облако, окружающее ядро атома, не является жесткой сферой и может изменять как свои размеры, так и форму в зависимости от природы сил межатомного взаимодействия, в котором принимают участие внешние электроны атомов при образовании кристаллов. При отсутствии каких-либо других характеристик величину межатомного расстояния можно принять за меру прочности межатомной связи. В табл. 7, составленной по данным работ, приведены основные величины, характеризующие силу межатомной связи кристаллической решетки металлов.
Дефекты кристаллической решетки