Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразделяются на то- чечные, линейные, поверхностные и объемные.

К самым простым точечным дефектам относятся вакансии, межузель- ные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис. 1.5).

а)                    б)                   в)

Рис. 1.5. Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а – вакансии; б – межузельный атом основного вещества; в – примесный атом внедрения

Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки, т. е. ме- сто, где по той или иной причине отсутствуют атомы (рис. 1.5,а). Межу- зельный атом – атом, перемещенный из узла в позицию между узлами (рис. 1.5,б). Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах из-за тепловых колебаний атомов при любой температуре выше абсолютного нуля. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация ва- кансий, а также межузельных атомов.

Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефек- тов, они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов (диффузия, спекание порошков и т. д. ).

Атомы внедрения – это атомы примесного элемента, находящиеся в междоузлиях кристаллической решетки (рис. 1.5,в).

Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и в определенной мере влияют на физические свойства металла (электропро- водность, магнитные свойства и др.), а также на фазовые превращения в металлах и сплавах.

S                                       S

Рис. 1.6. Схема краевой дислокации в кристаллической решетке

Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Важнейшие виды линей- ных несовершенств – краевые и винтовые дислокации. Образуются дисло- кации в результате локальных или местных смещений кристаллографиче- ских плоскостей, происходящих в кристаллической решетке зерен на раз- личных технологических этапах их формирования. Наиболее распростра- ненной является краевая дислокация (рис. 1.6). Она представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличи- ем атомной полуплоскости или экстраплоскости АВ.

Рис. 1.7. Схема определения вектора Бюргерса

Линию атомов нижней границы экстраплоскости принято называть дислокацией. Дислокацию обозначают знаком ┴ или ┬ (экстраплоскости в верхней или нижней части зерна – положительная или отрицательная). Различие между положительной или отрицательной дислокациями чисто условное. Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он получается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле (рис. 1.7), переходя от узла к уз- лу, а затем этот же путь повторить в реальном кристалле, заключив дисло- кацию внутрь контура. Отрезок АЕ, по модулю равный параметру решет- ки, принято считать вектором Бюргерса. Он перпендикулярен линии дис- локации.

Дислокации возникают при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов, наряду с други- ми дефектами участвуют в фазовых превращениях. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов. Примесные атомы образуют во- круг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую ат- мосферу Коттрела, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Поверхностные дефекты. Наиболее важными являются большеугло- вые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.

Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 1.8) и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 1–5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления

дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, т. к.соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют узлы в десятки градусов (рис. 1.8,а).

Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен. Субзерно пред- ставляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы – стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные суб- зерна (рис. 1.8,б). Угол взаимной разориентации между соседними субзер- нами невелик (не более 5 %), поэтому такие границы называются малоуг- ловыми.

Рис. 1.8. Схемы строения большеугловых (а) и малоугловых (б) границ

Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, огра- ниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный поря- док чередования атомных слоев.

Двойники. Двойникованием называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки. Решетка внутри двойниковой про- слойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла.

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свой- ства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести σ_T связан с размером зерен зависимостью: σ_T = σ₀ + κd^–1/2, где σ₀ и κ – постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения.

Объемные дефекты (пустоты, поры, трещины и включения) имеют значительные размеры во всех трех направлениях.

Строение сплавов

Сплавы – важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов периодической системы, называемых ком- понентами. Сплав считается металлическим, если его основу (свыше 50 % по массе) составляют металлические компоненты. Металлические сплавы

обладают более высокими прочностными и другими механическими свой- ствами по сравнению с чистыми металлами.

В зависимости от природы сплавляемых компонентов сплавы, взаимо- действуя друг с другом, могут образовать различные по строению и свой- ствам продукты. Характер взаимодействия компонентов при сплавлении зависит от их положенияв таблице Д. И. Менделеева, особенностей строе- ния электронных оболочек их атомов, типов и параметров их кристалличе- ских решеток, соотношения температур их плавления, атомных диаметров и других факторов.

Компоненты при сплавлении могут образовывать смеси зерен с пре- небрежимо ничтожной взаимной растворимостью, неограниченно или час- тично растворяться друг в друге, а также образовывать химические соеди- нения.

Смесь образуется при взаимодействии компонентов, не способных к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступающих в химиче- скую реакцию с образованием соединения (рис. 1.9). В этих условиях сплав состоит из чистых зерен обоих компонентов, сохраняющих прису- щие им типы кристаллических решеток и прочностные свойства. Механи- ческие свойства таких сплавов зависят от количественного соотношения компонентов, от размеров и формы зерен и соединения их границ.

Рис. 1.9 Микроструктура смеси (схема)

Химическое соединение представляет собой зерна со специфической кристаллической решеткой, отличной от решеток обоих компонентов. При образовании химического соединения соотношение чисел атомов элемен- тов соответствует стехиометрической пропорции, что выражается форму- лой А_пВ_т, – связь между атомами в них сильнее и жестче металлической. Поэтому они являются очень твердыми и хрупкими веществами.

Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, скачкообразным изменением свойств при изменении состава. Если химическое соединение образуется только металлическими элемен- тами, то в узлах решеток располагаются положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом – возникает металлическая связь.

При образовании химического соединения металла с неметаллом воз- никает ионная связь. В результате взаимодействия элементов в этом случае атом металла отдает электроны (валентные) и становится положительным ионом, а атом металлоида принимает электроны на свою внешнюю оболоч- ку и становится отрицательным ионом. В решетке химического соединения такого типа элементы удерживаются электростатическим притяжением.

Если образующиеся в сплавах химические соединения оказываются стойкими веществами, не диссоциирующими при нагреве вплоть до темпе- ратуры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятель- ных компонентов, способных образовывать сплавы с компонентами сплава. Твердый раствор образуется при растворении компонентов друг в дру-

ге, является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку и существует в интервале концентраций. Обо- значаются твердые растворы буквами латинского алфавита: α, β, γ и т. д.

При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из компонентов. В этом случае компонент называется растворителем.

Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние разме- ры элементарной ячейки растворителя. Если атомы растворенного компо- нента В замещают в узлах решетки атомы компонента-растворителя А, то образующийся раствор называется твердым раствором замещения. Твер- дые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. Не- ограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку и одинаковый атомный радиус. Ограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку, а атомные радиусы разнятся.

При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного вещества С располагаются между атомами А в кристаллической решетке растворителя. Следовательно, диаметр атома С должен быть невелик, а внутри решетки металла А должно быть достаточное пространство для атома С (рис. 1.10). Искажения решетки при образовании твердых раство- ров внедрения больше, чем при образовании твердых растворов замеще- ния, поэтому у них более резко изменяются свойства.

В                     В

а)                    б)                     в)

Рис. 1.10. Кристаллическая решетка ОЦК: а – неограниченный твердый раствор замещения; б – ограниченный твердый раствор замещения; в – твердый раствор внедрения

Образование твердых растворов сопровождается увеличением твердо- сти и прочности, уменьшением температурного коэффициента электриче-

ского сопротивления, пластичности (исключение составляют твердые рас- творы на основе меди) по сравнению с чистыми металлами.

В сплавах, содержащих более двух элементов, возможно растворение в одном и том же растворителе и путем замещения, и путем внедрения. Например, при сплавлении железа с марганцем и углеродом получается твердый раствор, в котором марганец растворяется путем замещения, а уг- лерод – путем внедрения.