Дефекты кристаллического строения металлов. Точечные дефекты. Краевая и винтовая дислокации. Вектор Бюргерса. Плотность дислокаций.

Идеальное строение металлов может объяснить многие их свойства: плотность, тепловое расширение, упругие свойства, удельная теплоемкость. Все эти свойства называются структурными, но нечувствительными. Однако, все реальные кристаллы неидеальны. В их строении всегда присутствуют дефекты, называемые несовершенствами или дефектами кристаллического строения. Дефекты оказывают сильное влияние на некоторые важные свойства: прочность, пластичность, электропроводность. Эти свойства, сильно зависящие от дефектов, называются структурными чувствительными. Все дефекты делятся на следующие группы:

1) точечные – вакансии, атомы внедрения, атомы примесей. Эти дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Размеры точечных дефектов соизмеримы во всех 3 направлениях с размерами атомов.

* - вакансия. В этом месте решетка деформируется, сжимается. Возможно 2 механизма:

1)по Шотки

2) по Френкелю Два дефекта – вакансия и внедренный атом;

 

Возможно образование примесных атомов. Они могут проникать внутрь кристаллической решетки и будут называться внедренной примесью. Примесный атом образует атомы с малым атомный радиусом (O2, H2,N2), но они деформируют решетку. Примеси замещения занимают узлы кристаллической решетки, т.е замещают собственные атомы. В этом случае решетка о5 искажается. Точечные дефекты играют важную роль, особенно вакансии. Они ответственны за процесс диффузии – основной механической диффузии – движение вакансии. Точечные дефекты оказывают влияние на электро и теплопроводность, кроме того, точечные дефекты взаимодействуют с линейными дефектами, оказывают заметное влияние на механические свойства.

2) линейные дефекты – (дислокации) в одном направлении протяженные, а в других соизмеримы с размерами атомов.

Линейные дефекты – цепочки примесных атомов, цепочки внедренных атомов, цепочки вакансий и дислокаций. Поведение дислокаций определяет механические свойства.

Дислокации могут быть краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.

Важной характеристикой дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема ()

В наиболее совершенных кристаллах плотность дислокации равна = 10⁶…10⁸ см^-2.

В деформированных = 10⁶...10⁸см^-2

Этот вектор определяется с помощью контура Бюргерса, который проводится через атомы в решетке в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если контур проводится в совершенной решетке, то он является замкнутым прямоугольником, в котором последний из векторов приходит в начальную точку. Если же контур охватывает дислокацию, то он имеет разрыв, величина и направление которого определяет вектор Бюргерса дислокации. Из схемы видно, что вектор Бюргерса краевой дислокации ориентирован перпендикулярно линии дислокации – это отличительная особенность краевой дислокации. Вектор Бюргерса винтовой дислокации ориентирован параллельно линии дислокации. Краевая дислокация, у которого линия полуплоскость расположена в верхней части кристалла, называется положительной, и обозначается перевернутая т, если внизу, то отрицательная и обозначается Т.

Движение дислокации в кристалле:

Дислокационная линия имеет разные формы и направления. Как правило она находится в плоскостях плотнейшей упаковки с большим межплоскостным расстоянияем. Результатом прохождения через кристалл дислокации является сдвиговое смещение на вектор Бюргерса. Направление в наиболее плотной упаковки называется направлением скольжения. Дислокация, в которой вектор Бюргерса лежит в плоскости скольжения называется подвижными или скользящими. Подвижные дислокации могут сравнительно легко проходить через кристалл. При их движении не требуется переноса материала, т.е движение атомов на расстояние, большее межпластинчатых, такое движение называют консервативным. Консервативное движение – силовое, оно требует усилий. Дислокации при этом легко подвижные. Металлы, у которых больше плоскостей скольжения, являются более пластичными. Дислокации бывают сидячими. Их особенностью является то, что вектор не лежит в плоскости скольжения. Перемещение таких дислокаций возможно лишь за счет подвода атомов с края экстра плоскости или за счет испарения атомов с ее края. Это движение является неконсервативным.

В результате появления напряжения появляется сила, действующая на дислокацию.

F=τ * b, где τ – напряжение, b – вектор Бюргерса.

Энергия дислокации.

Дислокация обладает собственным упругим полем и вносит изменения в упругое поле кристалла. Это определяет многие свойства кристалла, такие как взаимодействие с решеткой, друг с другом, с точечными дефектами и т.д. Существует понятие плотность дислокации – длина дислокации в 1 см³. При плотности 10⁶…10⁸ см^-2 энергия дислокации будет равна W=b²*G на длине, равной одному межпластинчатому расстоянию, G - модуль сдвига. ρ = дельта L/ V см^-2. плотность может быть определена как число дислокаций, пересекающих единицу площади.