Реальное строение металлических кристаллов

Аллотропические видоизменения железа

Важное значение в технике имеют полиморфные превра­щения в железе. На рис. 5 представлена кривая охлаждения чистого железа от расплавленного состояния до комнатной температуры. До температуры 1539^о С железо остается жидким. При температуре 1539 °С начинается кристаллизация и образуется α-железо, имеющее кубическую объемно-цент­рированную решетку; между температурами 1392 и 911^о С происходит перестройка этой решетки в новую модифика­цию — γ-железо с образованием кубической гранецентрированной решетки. Ниже температуры 911 °С железо перехо­дит в новую форму — α-железо с кубической объемно-цент­рированной решеткой. При температуре 768 °С происходит последняя температурная остановка с образованием маг­нитной формы α-железа, в которой сохраняется объемно-цен­трированная решетка. Магнитное превращение при 768 °С не является полиморфным, так как при нем не происходит из­менения кристаллической решетки.

 

Реальный ме­таллический кристалл всегда имеет большое количество дефектов кристаллического строения, которые нарушают периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Дефекты оказывают значительное влияние на свойства металла. По геометрическим признакам они под­разделяются на точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. Их величина не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся

 

 

Рис.5

 

 

вакансии, представляю­щие собой узлы кристаллической решетки в которых от­сутствуют атомы (рис. 6,а), а также замещенные атомы

примеси (рис. 6,б) и внедренные атомы (рис. 6,в), ко­торые могут быть как примесными, так и атомами основ­ного металла. Точечные дефекты вызывают местные ис­кажения кристаллической решетки, которые затухают достаточно быстро по мере удаления от дефекта. Точеч­ные дефекты появляются чаше всего вследствие тепло­вых колебаний атомов. Некоторые атомы, обладающие повышенной энергией, при этих колебаниях перемещают­ся из одного места в другое, создавая вакансии и внедрен­ные атомы. Поскольку амплитуда колебаний атомов силь­но увеличивается с повышением температуры, концент­рация точечных дефектов значительно повышается при нагреве, особенно вблизи температуры плавления. Точеч­ные дефекты не являются неподвижными, они непрерыв­но перемещаются в кристаллической решетке.

Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измере­ниях и большую протяженность в третьем. Эти дефекты на­зывают дислокациями. Краевая дислокация (рис. 7) пред­ставляет собой искажение кристаллической решетки, вы­званное наличием «лишней» атомной полуплоскости (экстраплоскости). Край экстроплоскости, перпендикуляр­ный направлению сдвига, и является краевой дислокацией. Линия дислокации перпендикулярна

плоскости рис.7.

 

Рис.6

 

 

Рис.7

 

Рис.8

 

Кроме краевых встречаются винтовые дислокации, которые вызываются сдвигом на одно межатомное расстояние одной части кристаллической решетки относительно другой по какой-нибудь плоскости π под действием внешних касатель­ных сил Р (рис. 8). Вокруг линии АВ, которая является ли­нией дислокации, атомные плоскости закручены по винто­вой поверхности.

Длина дислокации достигает многих тысяч атомных диаметров, а ширина составляет несколько атомных ди­аметров. Подплотностью дислокаций понимают суммар­ную длину дислокаций, приходящуюся на единицу объе­ма кристалла. Поэтому размерность плотности дислока­ций — см². Дислокации присутствуют в металлических кристаллах в очень большом количестве, их плотность составляет 10⁶-10¹² см ².

Так как атомы в зоне дислокаций смещены относи­тельно их равновесного состояния, кристаллическая ре­шетка в этой зоне упруго искажена. Атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное со­стояние. Поэтому дислокации обладают легкой подвиж­ностью и способностью к размножению. Образуются дис­локации в процессе кристаллизации металла, при пластической деформации, термической обработке и некото­рых других процессах.

Поверхностные дефекты малы только в одном изме­рении. Чаще всего это граница раздела двух различно ориентированных участков кристаллической решетки. На этой границе нарушается правильное расположение атомов. Помимо этого, на границах скапливаются линей­ные и точечные дефекты, концентрируются примеси. Граница представляет собой переходную зону шириной в несколько атомных расстояний.

Кроме перечисленных в металле имеются макроскопи­ческие объемные дефекты. К ним относятся поры, трещи­ны, газовые пузыри, неметаллические включения и т. д.