§ 3. Несовершенства кристаллической структуры металлов

Исследования структуры металлов с помощью рентгеновских лучей, пучков электронов и нейтронов (см. § 6) показали, что строение кристаллической решетки реального металла далеко не так совершенно, как можно подумать, глядя на элементарные ячейки. Несовершенства кристаллической структуры принято разделять на три типа - точечные, линейные и плоские. Точечными или нуль-мерными несовершенствами являются вакансии и внедренные атомы. В реальных кристаллах не все узлы в решетке заняты атомами. Определенная доля (до 1%) узлов свободна. Из-за отсутствия одного атома (иона) происходит смещение окружающих атомов, как схематично изображено на рис. 4, а. Этот вид несовершенства решетки называется вакансией. Может оказаться также, что некоторое количество атомов разместится не в узлах, а в междуузлиях решетки (рис. 4, б). Такие несовершенства называются внедренный, или межузельный атом. Одна из главных причин появления вакансий и межузельных атомов заключается в том, что отдельные атомы в узлах решетки под действием температуры приобретают столь большую энергию, что оказываются способными уходить со своих обычных мест. Поэтому с ростом температуры число точечных несовершенств возрастает.

Рис. 4. Дефекты кристаллической решетки; а - вакансия; б - внедренный атом

В металлах большая часть атомов, ушедших со своих мест, перемещается на свободную поверхность кристаллов, на границы с соседними кристаллами, захватывается другими несовершенствами - так называемыми дислокациями. Далеко не все атомные плоскости являются действительно строгими геометрическими плоскостями, распространяющимися по всему объему кристалла. Некоторые плоскости обрываются внутри кристалла, и тогда появляется несовершенство, называемое краевой дислокацией. Часть плоскостей или их участки образуют винтовую поверхность, здесь возникает винтовая дислокация.

Схема краевой дислокации изображена на рис.5, а. В плоскости рисунка размеры этого несовершенства очень малы - несколько межплоскостных расстояний. В перпендикулярном направлении краевая дислокация простирается на очень большие расстояния - до нескольких миллиметров. Схема винтовой дислокации представлена на рис. 5, б. Чтобы легче представить особенность этого вида несовершенства, следует мысленно вообразить, что кристалл надрезан по плоскости ABD и надрезанные части сдвинуты на одно межатомное расстояние и вновь соединены. Нетрудно заметить, что все горизонтальные плоскости после этого превратились в единую винтовую поверхность, поворачивающуюся вокруг линии, где закончился мысленный надрез. Эта конечная линия и есть винтовая дислокация. Ее поперечные размеры ничтожны в сравнении с продольными, как и у краевой дислокации. Оба вида дислокации называют линейными или одномерными несовершенствами. Обычно в металле насчитывается 10⁸ - 10¹¹ дислокаций на 1 см² площади кристалла. Пластическая деформация вызывает увеличение количества дислокаций, отжиг металла способствует уменьшению их числа.

Третий тип структурных несовершенств составляют плоские или двумерные несовершенства, к которым относятся границы зерен, границы блоков и некоторые другие. Обычно металл представляет собой конгломерат большого числа кристаллов, которые расположены по отношению друг к другу совершенно произвольно, но прочно связаны между собой в единое целое. Такое строение металла называют поликристаллическим. Кристаллы в поликристаллическом теле не обладают правильной геометрической формой, и поэтому их часто называют зернами или кристаллитами. Зерна в поликристаллическом металле сопрягаются между собой самыми различными кристаллографическими плоскостями, следовательно, границы между зернами представляют собой участки, в которых кристаллическая решетка искажена. При этом искажения захватывают лишь приграничные области решеток каждого зерна, т. е. практически они распространяются только по поверхности зерен. Поэтому их и называют двумерными несовершенствами.

Каждое зерно в пределах своего объема сложено из большого числа участков с достаточно совершенной структурой. Эти участки, называемые блоками, мозаики, повернуты один относительно другого на сравнительно небольшие углы - от секунд до 1 - 3°. Таким образом, выявляется еще один вид плоских или двумерных несовершенств - границы между блоками мозаики. Эти границы в отличие от границ между зернами называют малоугловыми.

В кристаллической решетке реального металла присутствуют и химические неоднородности в виде атомов примесей. В любом так называемом чистом металле присутствует некоторое количество примесей. Атомы примесей могут оказаться внедренными в междуузлиях решетки (по схеме на рис. 4, б) или могут заместить атомы основного металла в узлах решетки. Поскольку атомы и ионы примесей обладают иными размерами, зарядом, строением внешних электронных оболочек по сравнению с атомами основного металла, присутствие примесей сказывается на всех свойствах металла. Примеси, как правило, существенно повышают прочность, снижают способность к пластическому деформированию, резко увеличивают электрическое сопротивление. На первый взгляд кажется малопонятным, почему, например, примесь кислорода в меди в количестве 1·10^-5% (по массе) может влиять на свойства металла. Однако расчет показывает, что в этом случае в 1 см³ меди содержится около 1016 атомов кислорода, т. е. число частиц примеси огромно.

Атомы примесей, как правило, распределены в кристаллической решетке металла-основы неравномерно. Примесные атомы скапливаются около структурных несовершенств - вакансий, дислокаций, границ зерен. Поэтому в отдельных участках кристалла содержание примесей может во много раз превышать среднюю концентрацию. Действие примесей на свойства металла из-за этого резко усиливается.

Выше шла речь о металле с поликристаллическим строением. Встречаются случаи, когда весь объем металла занимает один кристалл. Такой объем металла называют монокристаллом. На монокристаллах металлов очень наглядно проявляется анизотропия (неодинаковость) многих свойств по разным направлениям. Разница в прочности и твердости может доходить до 3 - 5 раз. Причина анизотропии свойств монокристаллов заключается в различном расположении и количестве атомов (ионов) в кристаллической решетке по разным направлениям и в разных плоскостях. У поликристаллического металла, сложенного из массы зерен разнообразных ориентировок, значения свойств получаются усредненными и одинаковыми во всех направлениях. Однако в некоторых случаях по разного рода причинам в поликристаллическом металле зерна между собой выстраиваются параллельно какими-либо кристаллографическими направлениями или плоскостями. Металл остается поликристаллическим, но возникшая упорядоченность строения сразу же проявляется в анизотропии свойств. Такое упорядоченное расположение кристаллов в металле называют текстурой.