Дефекты кристаллического строения металлов

Характеристики кристаллических решеток

Важными характеристиками кристаллической решетки являются период, координационное число, коэффициент компактности. Период решетки – это расстояние между двумя ближайшими соседними атомами. Кристаллическая решетка характеризуется параметрами a, b, c и углами между координатными осями – α (между осями x и z), β (между y и z), γ (между (x и y).

Координационное число – это число атомов, находящихся в кристаллической решетке на равном наименьшем расстоянии от данного атома. Каждый атом простой кубической решетки имеет 6 ближайших соседей, расположенных на расстоянии длины ребра куба (периода решетки). Координационное число такой решетки обозначают К6. В ОЦК решетке у каждого атома 8 ближайших соседей и координационное число равно 8 (К8). В ГЦК и ГПУ решетках каждый атом имеет 12 ближайших соседних атомов, соответственно координационные числа К12 и Г12.

Коэффициент компактности – это отношение объема атомов, приходящихся на элементарную кристаллическую ячейку, ко всему объему ячейки. Коэффициент компактности простой кубической решетки равен 52 %, ОЦК– 68 %, ГЦК – 74 % , ГПУ – 74 %.

Многократное повторение в пространстве кристаллографических плоскостей (плоскостей, проходящих через определенные группы атомов кристаллической решетки) воспроизводит кристалл. Пространственное расположение кристаллографических плоскостей и направлений характеризуется индексами.

Для монокристаллов характерна анизотропия свойств, т.е. неодинаковость свойств в разных кристаллографических направлениях, что вызывается разной плотностью упаковки атомов в направлениях испытания. Поликристаллические тела состоят из многих зерен. В отдельно взятом зерне наблюдается анизотропия, но поскольку ориентация кристаллографических плоскостей решетки в разных зернах различна, то по всему объему материала свойства выравниваются, т.е. реальные металлы являются изотропными. Поскольку их изотропность является не истинной, а усредненной, то их принято называть квазиизотропными. Для металлов, подвергнутых обработке давлением и имеющих волокнистую структуру, т.е. текстуру – направленное расположение волокон, характерна анизотропия свойств.

 

В отличие от идеальных кристаллов реальные металлы содержат дефекты, которые делят на точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Точечные дефекты (нульмерные)по размерам сравнимы с межатомными расстояниями. К ним относятся вакансии (свободные от атомов узлы кристаллической решетки являются вакантными), межузельные или дислоцированные атомы (атом находится в межузельном пространстве кристаллической решетки) и примесные атомы. Среди них различают атомы замещения и внедрения (рис. 1.2).

Линейные дефекты (одномерные)имеют измерение в одном направлении на многие тысячи периодов кристаллической решетки, а в двух других направлениях по размерам сравнимы с межатомными расстояниями. Важнейшими видами линейных несовершенств являются краевые (линейные) и винтовые дислокации.

 

 

 

 

а) б) в) г)

Рис. 1.2. Дефекты кристаллического строения: а – вакансия; б ‑ межузельный (внедренный) атом; в ‑ замещенный атом; г ‑ краевая дислокация

Образование краевых дислокаций вызвано присутствием в кристаллической решетке неполных кристаллографических плоскостей. Такие полуплоскости, не имеющие продолжения в нижней или верхней частях кристаллической решетки, называются экстраплоскостями. Краевая дислокация представляет собой область упругих искажений, проходящих вдоль края экстраплоскости. Различают положительные и отрицательные дислокации. Положительные дислокации возникают в верхней части кристалла и их обозначают знаком _┴, отрицательные ­ в нижней и их обозначают знаком ^┬.

Поверхностные дефекты (двумерные) имеют измерения в двух направлениях. Они представляют собой упругие искажения кристаллической решетки по границам зерен или их фрагментов (блоков мозаичной структуры). Различают большеугловые и малоугловые границы.

Большеугловые границы представляют собой области в несколько периодов кристаллической решетки, на протяжении которых решетка одной кристаллографической ориентации переходит в решетку другой ориентации. Такое строение имеют межзеренные границы.