Несовершенств кристаллической

Другим важнейшим видом несовершенства кристаллического строения являются так называемые дислокации. Представим себе, что в кристаллической решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость (рис. 8). Край 3—3 такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется краевой дислокацией. Краевая дислокация может распространяться на многие тысячи параметров решетки, для нее вектор Бюргерса (см. с. 000) перпендикулярен экстраплоскости. В реальных металлах дислокации смешанные: на некоторых участках — краевые, на других — винтовые.

В процессе кристаллизации в твердом металле возникают дефекты кристаллического строения. Закономерность строения кристаллической решетки нарушается наличием несовершенств. Несовершенства кристаллического строения вызывают большие флуктуации внутренней энергии, влияют на прочность, пластичность, деформационную способность металлов, их коррозионную стойкость, склонность к хрупким разрушениям, на технологи--ческую прочность при сварке.

Характер и степнь нарушения правильности или совершенства кристаллического строения определяют в значительной мере физико-механические свойства металлов. Поэтому следует рассмотреть встречающиеся несовершенства кристаллического строения или, что то же самое, строение реальных кристаллов.

Другим важнейшим видом несовершенства кристаллического строения являются так называемые дислокации. Дислокацией на-

1. Опишите точечные несовершенства кристаллического строения металла. Каково их влияние на свойства?

1. Линейные несовершенства кристаллического строения. Что такое дислокация? Виды дислокаций и их влияние на механические свойства металла.

В таком случае приложение нагрузки т (меньшей предела текучести) к металлу, имеющему несовершенства кристаллического строения, вызовет неоднородное распределение внутренних напряжений: в очагах локального плавления приложенное напряжение преобразуется в гидростатическое давление (фазовое состояние близко к жидкому, дальний порядок отсутствует)1, а в остальной части кристалла напряжение в элементарных объемах подчиняется законам упругости твердого тела. Таким образом, в местах дефектов структуры типа дислокаций возможно равенство т = Р. Например, в работе [16] при вычислении свободной энергий вакансий постулируется справедливость этого соотношения для «некоторых областей материалов».

В таком случае приложение нагрузки 0 (меньшей предела текучести) к металлу, имеющему несовершенства кристаллического строения, вызовет неоднородное распределение внутренних напряжений: в очагах локального плавления приложенное напряжение преобразуется в гидростатическое давление (фазовое состояние близко к жидкому, дальний порядок отсутствует) 1, а в остальной части кристалла напряжение в элементарных объемах подчиняется законам упругости твердого тела. Таким образом, в местах дефектов структуры типа дислокаций возможно равенство a = Р. Так, в работе [18] при вычислении свободной энергии вакансий постулируется справедливость этого соотношения для «некоторых областей материалов».

Дробеструйная обработка применяется для восстановления жесткости пружин, торсионов и рессорных листов. Сущность ее заключается в том, что поток дроби (стальной, чугунной, стеклянной) диаметром 0,6... 1,2 мм направляется на обрабатываемую деталь со скоростью до 100 м/с, в результате чего поверхностный слой наклёпывается. Вследствие пластической деформации в поверхностном слое детали возникают не только параллельные, но и ориентированные в разных плоскостях и направлениях несовершенства кристаллического строения - дислокации. Повышение плотности дислокаций служит препятствием к их перемещению, от этого возрастает реальная прочность материала. Кроме того, образуется большое количество линий сдвига, дробятся блоки мозаичной структуры, что упрочняет поверхностный слой металла на глубину 0,2...0,6 мм. Шероховатость поверхности при этом достигает значений Rz 40...20 мкм. Предварительная химико-термическая обработка и закалка ТВЧ повышают глубину наклепа в 2,0...2,5 раза, что обеспечивает объемное воздействие механической обработки на материал детали.

49. Борисова В. И., Дехтяр И. Я.— В кн.: Несовершенства кристаллического строения. «Наукова думка», К., 1968, 47.

146. Лариков Л. Н., Фальченко В. М.— В кн.: Несовершенства кристаллического строения. «Наукова думка», К-, 1968, 112.

Прочность конструкционных материалов повышается благодаря воздействию нагрузок, создающих эффективные препятствия для движения несовершенств кристаллической решетки. При этом создаются структуры с повышенной плотностью закрепленных и равномерно распределенных по всему объему дислокаций.

В поликристаллах процесс скольжения затрудняется из-за значительного числа зерен, отличающихся величиной и формой и различно взаимно ориентированных. Во время пластической деформации поликристалла число дислокаций и других несовершенств кристаллической решетки увеличивается; происходит перераспределение дислокаций и их концентрирование на границах зерен, фрагментов и блоков мозаики. Поэтому сопротивление деформации у поликристаллов значительно выше, чем у монокристаллов, а пластичность ниже.

Кроме микрохимической неоднородности, следует иметь в виду и тесно связанную с нею микрофизическую неоднородность, вызываемую локальными скоплениями несовершенств кристаллической решетки, в первую очередь вакансиями и дислокациями.

Из-за несовершенств кристаллической решетки в полупроводниках при наложении электрического поля возникает движение носителей зарядов, и, следовательно, они могут выполнять роль электронных устройств.

Практически в любом материале, как бы он ни был пластичен при статических испытаниях, может произойти хрупкое разрушение, если в нем при нагружении одновременно образуется множество «активных» дефектов — несовершенств кристаллической решетки, дислокаций. Такое условие выполняется, например, для взрывной нагрузки. Разрушение в этих случаях состоит из многих, достаточно далеко отстоящих одна от другой трещин, соединяющихся между собой в более или менее правильной последовательности. Отрицательное влияние перечисленных и подобных им факторов усиливается при наблагоприят-ном структурном состоянии материала (крупный размер зерна, наличие наклепа, распад твердого раствора и т. д.). Влиянию режимов термической обработки и дефектов материала на склонность к хрупкому разрушению посвящены работы [55, 103, 106, 116 и др.]

Изменение энергии и физико-механических свойств в процессе пластической деформации. Пластическая деформация — это процесс возникновения и необратимого движения дислокаций, вакансий и других несовершенств кристаллической решетки и их взаимодействия между собой и с другими дефектами. Вследствие этого внутренняя энергия пластически деформированных металлов и сплавов возрастает. Величина дополнительной энергии (скрытая энергия наклепа) равна той доле механической энергии деформации, которая накапливается в материале и остается в нем по окончании действия внешнних сил.

Пластическая деформация поверхностного слоя сопровождается увеличением числа дефектов и искажением кристаллической решетки, изменением субструктуры и микроструктуры металла поверхностного слоя. В металле поверхностного слоя резко возрастает количество дислокаций, вакансий и других несовершенств кристаллической решетки, повышая его напряженность. Взаимодействие полей напряжений дислокаций между собой и с другими дефектами решетки затрудняет движение дислокаций, сопротивление пластической деформации возрастает, металл упрочняется (наклеп, деформационное или механическое упрочнение). Число дефектов в кристаллической решетке поверхностного слоя зависит от степени пластической деформации. Степень деформации, а следовательно, и число дефектов в решетке по глубине поверхностного слоя переменные, они уменьшаются с его глубиной.

несовершенств кристаллической решетки. Однако такое объяснение нельзя признать исчерпывающим, и, по-видимому, могут существовать дополнительные факторы, контролирующие процесс возврата деформации роста при послерадиационном отжиге. В частности, как отмечается в цитируемой работе, другие исследователи (Cacao, Вайнберг и Кверэ, 1965 г.) наблюдали, что холоднодеформирован-ный материал, содержащий большее число дислокаций и других дефектов, подвержен меньшему возврату при послерадиационном отжиге по сравнению с рекристаллизованным.

Прочность конструкционных материалов повышается благодаря воздействию нагрузок, создающих эффективные препятствия для движения несовершенств кристаллической решетки. При этом создаются структуры с повышенной плотностью закрепленных и равномерно распределенных по объему дислокаций.

На стадии циклического упрочнения появляются первые микротрещины размером ~ 1 мкм за счет накопления несовершенств кристаллической решетки (дислокаций, вакансий) и их движения к границам зерен. Эта стадия характеризуется множественными перемещениями дислокаций, повышением их плотности, формированием самоорганизующихся дислокационных структур и упрочнением материала. Стадия циклического упрочнения заканчивается достижением линии необратимой повреждаемости (линии Френча), на которой размер микротрещин сопоставим с размерами зерен материала. Этим заканчивается период зарождения усталостных трещин.

Прочность является наиболее структурно чувствительным свойством. Только прочность идеальных монокристаллов определяется межатомными силами. Такая прочность реализуется лишь в исключительных случаях, например в нитевидных кристаллах. Обычные кристаллические тела содержат различные несовершенства структуры и их прочность зависит не только от характера междуатомного взаимодействия, но и в большой. степени от типа, распределения и количества несовершенств кристаллической решетки.