22.01.2015

Структура и возможности воздействия на нее крайне важны для многочисленных свойств металлических материалов, определяющих техническое применение. Тесная зависимость между структурой и свойствами позволяет управлять качеством с помощью целенаправленного формирования структуры, например термообработкой, холодной и горячей обработкой давлением. Таким образом, материал может конструироваться до известной степени с помощью планомерного построения структуры и "подгоняться" к специфическим потребностям.
Эту возможность придавать материалу определенные свойства можно понять из определения структуры. Ненарушенная структура металла, т.е. решетка, заполненная определенными видами атомов, уже задает некоторые свойства. Так, количество возможных при деформации структуры плоскостей скольжения и направлений скольжения зависит от типа решетки. Логически получается также зависимость от направления - анизотропия - некоторых других физических характеристик. Однако особенно механические характеристики испытывают влияние структурной неупорядоченности в расположении атомов в кристаллической решетке, т.е. дефектной структуры, при помощи которой создается структура.
Таким образом, реальная структура возникает из кристаллической структуры и неупорядоченности расположения атомов в кристаллической решетке (уровня дефектности).
Реальная структура

Неупорядоченность, или равным образом дефектность, структуры, может подразделяться по ее распространению в объеме на следующие виды (рис. 7.1):
- точечные дефекты — нуль-мерная дефектная структура;
- линейные дефекты — одномерная дефектная структура;
- плоскостные дефекты — двухмерная дефектная структура;
- объемные дефекты — трехмерная дефектная структура.
Точечные дефекты можно изобразить с помощью нарушений в регулярном заполнении узлов решетки определенным видом атомов.
Линейные дефекты возникают, например, тогда, когда плоскость кристаллической решетки проходит через кристаллит не полностью, а кончается в нем, так что на границе такой плоскости происходит линейное нарушение (дефект) объема кристалла, называемое дислокацией.
В объеме металла имеются однородно ориентированные зоны кристаллитов, имеющие конечные размеры, с диаметром порядка 0,01 мм≤d ≤10 мм. Такие неравномерно ограниченные зоны кристаллитов обнаруживают между собой различные ориентировки, они наклонены друг относительно друга и (или) повернуты (ср. рис. 7.3.1 и 7.3.3). Таким образом между этими зонами образуются места неполной или полностью дефектной укладки, которые называются границами зерен и имеют в пространстве двухмерное измерение. В многофазовых материалах, т.е. в материалах, содержащих зоны кристаллитов с различными типами решеток, должны неизбежно существовать границы, построенные подобно границам зерен между различными типами решеток, в данном случае фазовые границы. Наконец, в категорию двухмерных дефектов решетки могут быть включены еще двойниковые границы и дефекты упаковки.
В трехмерном пространстве, наконец, изображаются объемные неоднородности. Сюда относятся, в частности, усадочные микрораковины, микропоры и микротрещины.
Можно легко видеть, что такие нарушения связей в структуре могут заполняться твердыми веществами. Это случается тогда, когда в материале имеются неметаллические примеси, например шлаковые включения (рис. 7.2). Пространственные дефекты могут достигать макроскопических размеров и значительно ослаблять структурную связь или полностью разрушать ее.
Схематическому изображению структуры (см. рис. 7.1), которое показывает строение структуры исходя из расстановки и распределения дефектов расположения атомов в структуре, противопоставлено реальное изображение структуры, полученное при светомикроскопическом рассмотрении α-β-латуни (рис. 7.3). Из схематического изображения структуры и из светооптической структурной картины вытекает, что при соответствующей металлографической подготовке и в диапазоне светомикроскопического увеличения примерно до 1000 раз в основном доступны непосредственному наблюдению лишь трехмерные и двухмерные дефектные участки.
Реальная структура

После деформации можно также наблюдать даже в зоне светомикроскопического увеличения так называемые линии скольжения в кристаллитах, которые представлены как следы перехода плоскостей скольжения в виде ступеней скольжения, причем процессы скольжения возникают благодаря движению одномерных дефектных участков (рис. 7.4).
Наблюдение за одномерными дефектами и их взаимодействием требует больших увеличений, которые могут быть достигнуты только с помощью электронного микроскопа. При тщательной подготовке шлифов точки выхода одномерных дефектов на поверхность могут стать видимыми в форме ямок травления на поверхности (рис. 7.5). На поверхности монокристаллов можно обнаружить как благодаря расположению атомов (рост кристаллов), так и с помощью испарения ступенчатые структуры, вызванные смещениями.
Реальная структура

Однако в общем наблюдение за одномерными дефектными участками, т.е. за дислокациями, особенно в технических металлах, требует применения просвечивающего электронного микроскопа. При этом можно увидеть не непосредственно дислокации, а лишь изображения в тонких шлифах полей искаженного напряжения и полей искаженной решетки окружающих линии дислокаций. В этих зонах благодаря различному преломлению электронов становятся видимыми дислокационные структуры (рис. 7.6).
Реальная структура

Недоступным для методов наблюдения непосредственного отображения является нуль-мерный, т.е. атомарный, тип дефектной кристаллической решетки. Его можно обнаружить лишь с помощью, например, эмиссионного ионного микроскопа или особых физических и химических воздействий. Отдельные типы структурной неупорядоченности имеют очень специфическое влияние на свойства материала, так что их согласование со структурой и строением позволяет понять реакции материала при различной обработке и нагружении.
Особое значение при этом имеют дислокации, взаимодействие которых между собой и с другими типами структурной неупорядоченности в расположении атомов кристаллической решетки логично объясняет поведение материала при различных условиях нагружения. Поэтому обсуждению поля дислокаций уделено большое внимание, причем основное значение придается тому, чтобы понять поведение материала из взаимодействия дефектов кристаллической решетки, для того чтобы знать возможности воздействия на свойства материала.