ГЛАВНАЯ

  СТРУКТУРА РЕАЛЬНЫХ КРИСТАЛЛОВ  

Металл сам  себя легирует

Можно ли сделать колокол из свинца? 

Ответ представляется очевидным: ведь всем известно, что при ударе свинец издает глухой стук.   В колоколе из этого металла колебания затухали бы очень быстро, и мы не услышали бы никакого звона.

Но оказывается, существует способ так изменить свойства свинца, что из него получится звонкий колокол—свинец нужно легировать тоже свинцом. 

Это звучит довольно странно, так что попытаемся объяснить.

Достаточно приложить небольшую нагрузку, и эти дислокации приходят в движение. 

Чтобы уменьшить пластичность, или, что то же самое, увеличить упругость (благодаря которой в металле и могут возникать длительно не затухающие упругие колебания), дислокации нужно закрепить. 

Чем прочнее они закреплены, тем меньше затухание.

С этой целью свинец помещают в поток нейтронов в ядерном реакторе.

 Быстрые нейтроны, попадая в некоторые атомы металла, «сталкивают» их с занимаемого места в пространственной решетке в некое промежуточное положение. 

Эти атомы начинают перемещаться в решетке из одного промежуточного положения в другое, пока не достигнут зоны дислокации. 

Здесь атомы вступают во взаимодействие с дислокацией и останавливаются останавливаются: дислокация и смещенные атомы взаимно удерживают друг друга.

Если достаточно долго облучать свинец нейтронами, то в нем остается очень мало свободных дислокаций. 

В результате свинец становится упругим, и возникающие в нем при ударе механические колебания затухают гораздо медленнее.

Колокол из обработанного таким образом свинцамог бы звучать не хуже тех, что сделаны из лучшей колокольной бронзы. 

В данном случае мы с полным основанием можем говорить о самолегировании металла. 

Для закрепления дислокаций можно использовать и атомы других (легирующих) элементов. 

 Такие инородные атомы, занимая промежуточные положения в пространственной решетке, будут удерживать дислокации так же, как и атомы свинца, выбитые нейтронами с их обычных мест в собственной решетке.

Этот пример приведен просто как наглядная иллюстрация того, насколько сильно могут меняться свойства металла при появлении в нем очень малого количества другой структурной составляющей—в данном случае атомов того же металла, но занимающих промежуточные положения в пространственной решетке.

Структура реального кристаллического тела отличается от структуры идеального нарушениями в строении решетки. Дефекты решетки существенно влияют на свойства. Металлический кристалл после обычной кристаллизации и медленного охлаждения (в равновесном состоянии) содержит —10⁷ дислокаций на 1 см², удельное количество атомов в плоскости ~10¹⁵. Таким образом, соотношение между дислокациями и атомами ~1 : 10⁸

Классификация дефектов решетки. 

Дефекты решетки классифицируют по их протяженности в пространстве, причем в качестве единицы протяженности принимают величину трансляции. Различают: нульмерные, одномерные и двумерные нарушения строения решетки..

 Нульмерные нарушения строения решетки — точечные дефекты

К точечным относят дефекты, величина которых во всех трех направлениях сравнима с величиной трансляции решетки (рис. 1.19).

Нульмерными нарушениями строения решетки являются вакансии (1 на рис. 1.19); атомы в междоузлиях (2 на рис. 1.19); атомы замещения (3 на рис. 1.19), а также их различные комбинации (4).

рис. 1.19

  Вакансии. Представляют собой свободные от атомов узлы решетки. С повышением температуры происходит увеличение числа находящихся в термодинамическом равновесии  вакансий   (cf)   в  согласии с зависимостью:  

C_P= n /N = e ^-DU/RT (RT)

  Здесь п — число вакансий; N — число узлов решетки; DU — энергия связи (у металлов от 20 до ~50 ккал · моль^-1, для c_f вблизи T₈~10^-4).

С увеличением концентрации вакансий электропроводность, теплопроводность и плотность падают, удельная теплоемкость растет.

Нульмерные дефекты Шоттки (рис. 1.20, а). Возникают в результате перехода атомов из внутренних областей кристалла на поверхность. Образование вакансий происходит в результате перехода атомов на внешнюю поверхность. В решетке происходит перегруппировка, при которой сохраняется электрическая нейтральность.

Анти-Шоттки-дефект. Переход атомов с поверхности кристалла во внутрь.

Нульмерные дефекты Френкеля (рис. 1.20,6). Атом оставляет свое место в узле решетки и переходит в междоузлие.

Рис.   1.20. Дефекты Шоттки   (а)   и  Френкеля   (б)

Одномерные дефекты

  Одномерные нарушения строения решетки имеют достаточную протяженность только в одном направлении. Важнейшими одномерными дефектами являются дислокации.

Дислокации возникают:

-  в   ходе  процесса  кристаллизации;

-  в  процессе  пластической  деформации;

-  в результате    фазовых    превращений. Вектор Бюргерса b  (рис. 1.21). Этот вектор   является   определяющим  параметром геометрии дислокаций. 

В зависимости от способа построения контура, проводимого вокруг дислокации, он может быть незамкнутым при отсутствии дислокации (см. рис. 1.21) или замкнутым при наличии дислокации (рис. 1.22, а).

b —расстояние между атомами в контуре (см рис. 1.21).

 рис. 1.21

Контур Бюргерса и вектор Бюргерса

рис. 1.22.

Дислокации в кубической решётке:

а-краевая :

б-винтовая

Классификация дислокаций.

ГЛАВНАЯ