Физические основы пластической деформации, страница 3

Эти координаты называются индексами направлений. За единицу измерения по каждой кристаллографической оси выбирают период решетки. Полученные значения координат точки приводят к отношению трех наименьшихцелых чисел. Эти числа, заключенные в квадратные скобки, обозначают собой индексы направлений. Совокупность11непараллельных кристаллографических направлений, эквивалентных по числу атомов, составляют семейство направлений. Его обозначают индексом одного из направлений и заключают в угловые скобки. Например, семейство шестиребер куба 100, 010, 001, 100, 010, 001 обозначают  100 .Примеры обозначения направлений в кубической и гексагональной плотноупакованной ( ГПУ) решетке показанына рис.

12 и 13.Для определения направлений в ГПУ-решетке также используют 4-х индексовую систему Миллера - Бравэ. Дляэтого направление переносят параллельно самому себе в начало координат и из любой его точки опускают перпендикуляры на координатные оси. Например, направление +y имеет индексы 1210.2. Точечные дефекты кристаллической решетки3.1. Понятие кристаллической структуры, моно и поликристаллыВыше рассматривалась идеальная кристаллическая решетка, в которой атомы расположены в строгом порядке, безучета тепловых колебаний атомов и различных искажений решетки. По существу, такая решетка являетсялишь моделью для изучения строения кристалла.Реальный кристалл отличается от идеального наличием тепловых колебаний атомов около положений равновесия,их миграцией (диффузией) и различного рода дефектами, нарушающими правильность решетки.

Поэтому строениереального кристалла называется кристаллической структурой.Логично было бы предположить, что внешние границы кристалла , повторяя правильность его внутреннего строения, должны иметь плоские грани. Однако этого не происходит. Кристаллизация из расплава идет одновременно измногих центров кристаллизации, и в процессе роста кристаллов они соприкасаются и мешают росту друг друга.

Поэтому их внешняя форма не соответствует внутреннему строению. Такие кристаллы с правильной кристаллическойрешеткой, но неправильной внешней формой, называются монокристаллами, или кристаллитами (см. рис.14).12По своей внешней форме кристаллит не является правильным многогранником, но приближается к нему, имеяокруглые формы. Такой кристаллит называется зерном. Кристаллиты, имеющие ветвистую, древовидную форму, называются дендритами.Совокупность множества кристаллитов называется поликристаллом. Все металлы являются поликристаллами.

Свойства кристалла зависят от природы атомов и сил взаимодействия между ними, а последние – от расстояний между атомами. Поскольку расстояния между атомами различны в разных направлениях, то и свойства кристалла неодинаковыпо разным направлениям. Это явление, заключающееся в различии свойств тела по разным направлениям, называетсяанизотропией. Кристаллические вещества анизотропны, в отличие от аморфных тел (например, смолы), которые являются изотропными, со свойствами одинаковыми по всем направлениям.3.2.

Вакансии, дислоцированные и примесные атомыВыше говорилось о том, что атомы в узлах решетки находятся в равновесном положении и обладают минимумомпотенциальной энергии, что и обеспечивает строгий порядок в их расположении. Однако, было установлено, что этотпорядок может нарушаться, и решетка реального кристалла имеет дефекты, связанные с тем, что атомы могут покидать узлы решетки и внедряться в междоузлия решетки. Для того, чтобы это произошло, атом должен получить избыток энергии, достаточный для преодоления энергетического барьера, удерживающего его в узле решетки. Эта избыточная энергия берется из энергии теплового движения атомов ближайшего окружения. Ближайшие атомы колеблются не строго согласованно, и случайное стечение обстоятельств может привести к такому перераспределению энергииих тепловых колебаний, при котором в некотором очаге появится энергия, достаточнаядля выброса атома из его равновесного положения.

Это перераспределение энергии между ближайшими атомами называется энергетической флуктуацией.Флуктуация – эффект коллективный, в нем участвует группа атомов, а не только тот единственный, который, например, оказался выброшенным из своего узла. Просто именно он попал в область пика флуктуации, а мог бы попастьи любой другой из коллектива атомов, оказавшихся в очаге флуктуации.Дефекты кристаллической структуры подразделяются на точечные, линейные и объемные.К точечным дефектам относятся вакансии, дислоцированные и примесные атомы.

При точечных дефектах нарушение решетки локализуется в отдельных точках и не превышает нескольких межатомных расстояний во всех трехизмерениях.К линейным дефектам относятся дислокации. При линейном дефекте искажение решетки в двух измерениях непревышает нескольких атомных расстояний, а в третьем измерении распространяется значительно, например, до границы зерна.Объемные дефекты – это микропустоты, трещины и включения другой фазы.Примеры точечных дефектов показаны на рис.

15.Основным источником вакансий является свободная поверхность кристалла. Атом поверхностного слоя, под воздействием флуктуации может легко выйти их узла решетки и испариться, или еще легче - адсорбироваться на поверхности (см. рис. 16). На его месте образуется пустой узел – вакансия. Через некоторое время в эту вакансию может бытьвыброшенным близлежащий атом, в результате чего вакансия переместится во второй слой и т.д. Другими словами,вакансия втягивается вглубь кристалла. Образование вакансии в результате выхода атома на поверхность называетсядефектом Шоттки.13Источником вакансий являются также границы зерен, пустоты, трещины и дислокации.

Концентрация вакансийневелика. Если концентрацию исчислять, как число атомов, приходящихся на 1 вакансию, то для золота, например,она составляет 1019 при комнатной температуре и увеличивается до 104 при температуре плавления, т.е. 1 дислокацияприходится на 10000 атомов. Увеличение числа вакансий с повышением температуры связано с повышением амплитуды тепловых колебаний атомов и, соответственно энергии этих колебаний.Возможен выброс атома и в междоузлие решетки, в результате чего образуются вакансия и дислоцированныйатом ( парный дефект Френкеля).Однако, энергетические затраты при образовании такого дефекта существенно выше, чем при выходе атома в вакансию.Рис.

17 иллюстрирует изменение энергии атома при выходе из узла плотноупакованной решетки. В узле он обладаетминимумом энергии Е. Для того, чтобы выйти из узла, он должен «протиснуться» между атомами 1 и 2, т.е. как быраздвинуть прутья решетки и преодолеть потенциальный энергетический барьер Е1. Этуизбыточную энергию он получает от соседних атомов и отдает, снова занимая местоуже в новом узле.

Таким образом, флуктуация – источник образования и вакансий, имеждоузельных дислоцированных атомов.Примеси являются одним из распространенных дефектов структуры реальных кристаллов. Современные способыочистки не позволяют получать абсолютно чистые материалы. В зависимости от природы примесей они могут находиться в кристалле, либо в междоузлии ячейки (атом внедрения), либо занимать место основного атома в узле ячейки(атом замещения). Т. к. чужеродные атомы по размерам отличаются от атомов основного кристалла, то их присутствиевызывает искажение решетки.14Примеси оказывают существенное влияние на химические, оптические, магнитные и механические свойства твердых тел. Данные по исследованию свойств предельно чистых металлов показали, что тщательно очищенное железохимически инертно и не подвергается коррозии, а титан, вольфрами молибден, являющиеся хрупкими в обычномсостоянии, становятся пластичными даже в условиях глубокого охлаждения.3.3.

Движение атомов в кристалле, механизмы диффузииАтомы не только совершают колебания около положения равновесия, но и меняют свои положения, совершаяскачки в вакансии или междоузлия решетки, т.е. перемещаются внутри кристалла. Поскольку направление этих скачков невозможно ни предвидеть, ни угадать, движение атомов носит хаотический характер и называется самодиффузией [4].На рис. 18 показаны возможные механизмы самодиффузии.При вакансионном механизме диффузии ( рис.18, а) атом перемещается в соседнюю вакансию. Поскольку в вакансию может «впрыгнуть» любой атом из окружающих, удобнее говорить не о перемещении атомов, а о перемещении вакансии. Это наиболее распространенный механизм диффузии, поскольку требует наименьших энергетическихзатрат.Простой обменный механизм (рис. 18, д) состоит в том, что два соседних атома меняются местами.

Вероятностьтакого обмена весьма мала по сравнению с вероятностью обменяться местами с вакансией.При циклическом обменном механизме (рис.18, б) происходит соглаcованный поворот группы атомов, при которомкаждый занимает место предыдущего, а последний – первого. Это снижает энергетические затраты по сравнению спростым обменным механизмом.Простой междоузельный механизм (рис.18, г) заключается в переходе атома из одного междоузлия в другое. Такой механизм больше свойственен мелким атомам примесей, которым легче «протиснуться» в междоузельное пространство, чем более крупным основным атомам.При движении по междоузельному механизму вытеснения (рис.18, в) атом попадает в междоузлие, затем выталкивает ближайшего соседа из узла и становится на его место. Вытесненный в междоузлие атом выталкиваетследующего соседа и т.д.Поскольку вакансионный механизм диффузии является основным, интересным представляется характер движениявакансии в кристалле.