Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Несовершенства кристаллической структуры

14.11.2018

Кристалл, атомы которого не имеют идентичного окружения, является несовершенным. Области нарушения идеального строения кристаллической решетки называются несовершенствами или дефектами.

Поверхностными (двумерными) несовершенствами кристаллической решетки являются границы зерен, границы раздела фаз (матричных и промежуточных), поверхность материала. Для этих объектов структуры единым является то, что они отделяют одну часть кристалла от другой, от него отличающейся.

Границей зерна называется поверхность раздела зерен в поликристаллическом материале. Эта поверхность представляет собой переходную зону, в которой изменяется ориентация плоскостей и направлений, поэтому кристаллические решетки сильно искажены (рис. 3.8).
Несовершенства кристаллической структуры

Внутри зерен возможно образование субзерен, которые разделены малоугловыми (МУ) границами, раз ориентированными относительно друг друга на величину менее 8° (субграницы). Регулярное расположение малоугловых границ образует полигонизованную структуру (или субструктуру).

Поверхность (поверхностный слой) металла или сплава формируют различными способами — механической обработкой резанием, холодной и горячей деформацией, термической обработкой и др. Поэтому любая деталь после изготовления состоит из двух зон, неравных по протяженности, — сердцевины и наружного (поверхностного) слоя, которые различаются по химическому, фазовому составу и структуре (рис. 3.9). Поверхностный слой детали с точки зрения прочности является ослабленным ввиду того, что атомы на поверхности имеют устойчивые связи только с соседними и лежащими ниже атомами, их состояние неуравновешенно, неустойчиво.

Кроме того, после различных видов обработки на поверхности возникают шероховатость и волнистость, дополнительное упрочнение, остаточные напряжения, крупные дефекты (раковины, поры, неметаллические включения и др.).

При термической (тепловой) обработке может произойти окисление или выгорание отдельных элементов сплава, насыщение газами и т.п., что приводит к изменению химического состава поверхности по сравнению с объемом детали. Толщина поверхностного слоя с измененными химическим, фазовым составом и структурой составляет 10...100 мкм.

Линейными несовершенствами кристаллической структуры являются дислокации, которые представляют собой локальное линейное нарушение упорядоченного расположения атомов в кристалле.

Прочность реального кристалла промышленного сплава ниже теоретической прочности на несколько порядков вследствие нарушения периодичности структуры — наличия дислокаций, часто называемых дефектами. Образование дислокаций происходит в результате внешнего воздействия на сплав: в упорядоченную структуру кристалла вклинивается «лишняя» плоскость с расположенными на ней атомами. На рис. 3.10 видно, что в верхней части кристалла находится неполная атомная плоскость, не имеющая продолжения в нижней половине кристалла. Такую плоскость (ее называют экстраплоскостью) можно рассматривать как лишнюю неполную плоскость, вставленную в кристалл. Непосредственно вблизи края экстраплоскости решетка сильно искажена, выше этого края решетка оказывается сжатой, а ниже — растянутой. У атома, расположенного на самом краю экстраплоскости, меньше соседей, чем у атома, находящегося внутри совершенного участка решетки.

Область несовершенного кристалла около края экстраплоскости называется краевой дислокацией.

В кристаллах встречаются также винтовые дислокации, появляющиеся в результате сдвига — несквозного вертикального надреза, когда в кристалле образуется плоскость, закрученная в виде геликоида (винтовой лестницы).

Дислокации формируются на всех этапах технологического цикла получения деталей: при кристаллизации, пластической деформации, термической обработке, а также в условиях эксплуатации — под действием температур и нагрузок, ионного облучения и т. п. Дислокации обнаруживают в металле с помощью просвечивающей электронной микроскопии (рис. 3.11).

Параметрами дислокации как объекта структуры сплава являются ширина, длина и плотность.

Ширина составляет несколько атомных слоев, длина — десятки параметров решетки. Плотность дислокаций — это суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема кристалла или количество дислокаций, пересекающих единицу площади: в 1 см плотность дислокаций составляет 10в4...10в12 см-2, ее обозначают буквой р.

На дислокации не влияет упругая деформация, когда в реальном сплаве действуют идеальные связи, определяемые модулем сдвига. При достижении предела текучести начинается пластическая деформация, основным механизмом которой является перемещение дислокаций. При пластической деформации не только перемещаются имеющиеся в данном материале дислокации, но и образуются (генерируются) новые.

Такие свойства дислокаций, как способность перемещаться в материале под действием напряжений и способность к торможению своего перемещения на различных объектах структуры, определяют их роль в сплаве (материале):

• на технологических этапах обработки материала (получения заготовки) дислокации влияют на протекание пластической деформации, поскольку именно благодаря их способности к перемещению под действием нагрузки происходит деформация заготовок и деталей;

• в условиях эксплуатации прочность сплава зависит от дислокаций, так как только при значительной степени блокировки дислокаций, т.е. при торможении их перемещения, можно обеспечить сопротивление сплава нагрузкам (табл. 3.2).

На различных объектах структуры необходимо соблюдать определенную степень блокировки дислокаций. Если способность к перемещению дислокации будет сведена к нулю, то при воздействии нагрузки начнут разрушаться связи в кристаллической решетке, что приведет к нарушению сплошности материала — образованию трещины.

Препятствием для движения дислокаций служат:

• атомы легирующих элементов;

• дисперсные частицы интерметаллических соединении, расположенные в зерне;

• границы зерен, так как они представляют собой сильно искаженные кристаллические решетки соседних зерен;

• скопления самих дислокаций, т.е. их повышенная плотность.

Зависимость предела текучести от плотности дислокаций в металле (сплаве) имеет экстремальный характер, что установлено отечественными учеными А.А. Бочваром и И.А. Одингом (рис. 3.12). В совершенном кристалле дислокации отсутствуют и прочность его велика. Практически не имеют дислокаций «усы» — нитевидные кристаллы, специально выращенные из парогазовой фазы. В настоящее время эти вещества не применяют самостоятельно в качестве конструкционных материалов.

Реальный сплав содержит дислокации, что, естественно, понижает прочность. Однако если увеличивать плотность дислокаций, например при холодной пластической деформации, то прочность повышается.

Точечные несовершенства (дефекты) кристаллической решетки имеют размеры, которые во всех трех измерениях не превышают одного или нескольких межатомных расстояний. К точечным несовершенствам относят:

- вакансии — вакантные узлы кристаллической решетки, т. е. узлы решетки, в которых отсутствуют атомы;

- междуузельные атомы — атомы, располагающиеся в междуузлиях; они являются как бы лишними, «расталкивая» атомы в узлах кристаллической решетки (рис. 3.13).

Вакансии образуются при закалке (т. е. резком охлаждении из высокотемпературного состояния), при деформации с большими степенями обжатия, радиационном облучении. Они обладают следующими свойствами:

• очень подвижны в сплавах — легко и непрерывно перемещаются в кристаллической решетке, особенно при повышенных температурах;

• неустойчивы, т. е. при первой возможности (повышение температуры, облучение) перемещаются, «стекают» к границам, порам. Таким образом происходит их исчезновение — аннигиляция.

Аннигиляция вакансий происходит обычно на поверхностях раздела, в частности на границах зерен. Эти места называют стоками вакансий. Миграция (сток) вакансий к границам зерен способствует образованию пустот — пор, отрицательно влияющих на работоспособность материала.

Вакансии влияют на физические свойства технически чистых металлов, например вызывают повышение электросопротивления.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: