Поверхностные и объемные дефекты

Свободные поверхности. На атом в объеме кристалла со стороны соседних атомов действуют симметричные силы. Симметрия нарушается для атомов на поверхности. Происходит искажение упаковки поверхностных атомов – изменение расстояния между ними и смещение относительно положений, которые занимают атомы в объеме кристалла. Связи, характерные для объема кристалла, нарушаются и заменяются специфическими поверхностными связями.

Поверхностный слой по структуре, фазовому и химическому составу отличается от основного материала (рис. 1.19). Зона 1 состоит из адсорбированных из окружающей среды атомов и молекул органических и неорганических веществ. Толщина слоя 0,001–1 мкм. Зона 2 состоит из продуктов химического взаимодействия металла с окружающей средой (обычно оксидов). Толщина слоя 1–10 мкм. Переходная зона 3 толщиной несколько межатомных расстояний, имеет иную, чем в объеме, кристаллическую структуру. Зона 4, с измененной, по сравнению с основным металлом 5, структурой и фазовым составом, возникает при изготовлении детали и изменяется в процессе эксплуатации. Толщина и состояние поверхностного слоя изменяются в зависимости от состава материала, метода обработки, условий эксплуатации.

Границы между кристаллами одной фазы. Металл состоит из кристаллов (зерен) размером 1–1000 мкм. Если углы разориентации между зернами составляют несколько десятков градусов, то зерна разделяет большеугловая граница – зона шириной 5–15 межатомных расстояний с нарушением порядка в расположении атомов (рис. 1.20, б). Скопление в этой зоне дислокаций и примесей оказывает влияние на механические свойства металла. Большие зерна состоят из мелких (0,1–1 мкм) блоков (субзерен), разориентированных относительно друг друга на небольшие углы (менее пяти градусов). Границу между фрагментами или блоками называют малоугловой (рис. 1.20, а). Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией. Структуру называют блочной или мозаичной.

Межфазные границы – границы между кристаллами разных фаз. Различают три типа межфазных границ (рис. 1.21). На когерентной границе решетка одной фазы плавно переходит в решетку другой. Несоответствие решеток обусловливает упругую деформацию, изгиб атомных плоскостей на границе. На полукогерентной границе дислокации чередуются с участками сопряжения решеток двух фаз. При большом несоответствии решеток двух фаз, плавное их сопряжение невозможно, межфазную границу называют некогерентной.

Когерентные частицы – выделения в твердом растворе (матрице) с когерентной границей раздела между ними и матрицей.

К объемным дефектам относят микровключения других фаз, поры и трещины. Последние дефекты крайне нежелательны для материала, поскольку значительно ухудшают прочность и пластичность. Микровключения других фаз широко используют для улучшения прочности материала. В таком случае специально создают структуру подобную железобетону, состоящую из вещества основной фазы и упрочняющей фазы.

Пути упрочнения материала. Прочностные свойства металла зависят от сил межатомных связей и препятствий – барьеров, которые приходится преодолевать движущимся дислокациям. Создание материала с идеальной кристаллической решеткой. Реализация этого пути представляет большие трудности. Упрочнение материала дефектами осуществляют пластическим деформированием, термообработкой и т. д.

Плотность дислокаций r (длина дислокаций в 1 см³) определяет прочность и пластичность материала (см. рис. 1.22). Прочность нитевидных кристаллов («усов») в несколько раз превышает прочность монокристаллов и близка к теоретической (20000 МПа). Это объясняется совершенством структуры и малым количеством (иногда полным отсутствием) объемных и поверхностных дефектов. Прочность нитевидных кристаллов зависит от их толщины: при увеличении диаметра от 2 до 16 мкм она падает в 8 раз. Плотность дислокаций в монокристаллах r = 10²–10³ см^-2. Прочность отожженных металлов составляет 200–300 МПа (r = 10⁶–10⁸ см^-2); после холодной деформации прочность возрастает до 1500 МПа (r = 10¹² см^-2). Это соответствует 10⁶ км дислокаций в 1 см³.

Упрочнение за счет торможения дислокаций точечными дефектами решетки (упрочнение твердым раствором). Эффективность механизма определяется количеством точечных дефектов (собственных и примесных). Около дефектов имеются локальные искажения решетки: чем они больше, тем выше сопротивление деформации.

Упрочнение за счет увеличения количества дислокаций. В реальном металле имеется большое количество дислокаций, расположенных в разных плоскостях («лес» дислокаций). При пластической деформации движущимся дислокациям приходится преодолевать расположенные на их пути «леса» дислокаций. Чем больше дислокаций, тем выше сопротивление деформации.

Упрочнение за счет торможения дислокаций дисперсными частицами. В структуре сплавов могут находиться дисперсные (мелкие) частицы какой-либо фазы: карбиды (Fe₃C, Сr₇С₃, TiC, Fe₃W₃C и др.), интерметаллические соединения (Со₇W₆, СuАl₂ и др.), окислы (SiO₂, Аl₂O₃). Эти частицы являются барьерами для движущихся дислокаций. Механизмы преодоления дислокациями дисперсных частиц: перерезание (прохождение через частицы) и прохождение между ними.

Упрочнение за счет торможения дислокаций границами зерен, фрагментов и блоков. На этих границах скапливаются дефекты решетки. Дислокации не могут переходить через границу и начинают тормозиться. Дополнительное напряжение, необходимое для пластической деформации, с учетом преодоления дислокациями границ, обратно пропорционально диаметру зерна. Мелкозернистый металл обладает более высоким сопротивлением деформации, чем крупнозернистый.