Влияние дефектов на свойства материала

Причиной низкой прочности реальных металлов является наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов.

При ограниченной плотности дислокаций и других искажений кристал­лической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дис­локаций находится в объеме металла.

Рис. 9.7. Зависимость относительного удлинения от нагрузки

1 - область упругих деформаций; 2 – область пластических деформаций (появление и перемещение дислокаций); 3 – область упрочнения материала (захват дислокаций на центры, которые не могут перемещаться); 4 – образец разрушается.

С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемешаться, происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д., что позволило Дж. Гордону образно назвать их взаимодействие в процессе пластической деформации «интимной жизнью дислокаций». С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затруд­ненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется.

Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся ато­мы растворенных в металле примесей и леги­рующих элементов, частицы выделений второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике пре­пятствие движению дислокаций, т. е. упрочнение, создается введением дру­гих элементов (легирование), наклепом, термической или термо­механической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.

Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства метал­ла.

Под размером зерна принято понимать величину его среднего диа­метра, выявляемого в поперечном сечении. Это определение условно, так как действительная форма зерна в металлах меняется в широких пределах — от нескольких микрометров до миллиметров. Размер зерна оценивается в баллах по специальной стандартизованной шкале и характеризуется числом зерен, приходящихся на 1 мм² поверхности шли­фа при увеличении в 100 раз.

Процесс пластического течения, а, следовательно, и предел текучести зависят от длины свободного пробега дислокаций до «непрозрачного» барьера, т. е. до границ зерен металла. Предел текучести s_Т связан с размером зерна d уравнением Холла—Петча: s_Т = s_о + kd ^–1/2, где s_о и k — постоянные для данного металла. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно при измельчении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Последнее осо­бенно важно для металлических изделий, работающих при низких тем­пературах. Повышенные пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением мелкозернистого металла, отсутстви­ем в нем крупных скоплений, структурных несовершенств, способству­ющих об­ра­зованию трещин.

Точечные дефекты являются причиной возникновения центров окрашивания в кристаллах (F-центров – Farben centrum). Например, мелкокристаллические порошки хлорида натрия при нагревании в парах натрия приобретают зеленовато-желтую окраску.

Рассмотрим образование F-центра в кристалле NaCl. В атмосфере паров натрия кристаллы NaCl приобретают избыточное по отношению к стехиометрическому (1: 1) количество ионов Na⁺ и такое же количество свободных электронов. Другими словами, при попадании в кристалл атома натрия происходит его ионизация, и в решетке NaCl в катионом узле находится не нейтральный атом Na⁰, а катион Na⁺:

Na⁰ → Na⁺ + e^–.

Такое нестехиометрическое соединение можно охарактеризовать формулой Na_{1+ x} Cl, где х < < 1.

Избыточные ионы натрия остаются на поверхности, электроны диффундируют в объем кристалла. Для сохранения электронейтральности по всему объему кристалла ионы хлора диффундируют к поверхности, оставляя равное количество анионных вакансий, обладающих эффективным положительным зарядом. Свободные электроны захватываются такими вакансиями и оказываются как бы в потенциальном ящике, образованномокружением данной вакансии (F-центры). В единичной анионной вакансии могут находиться два электрона, создавая F'-центр. Или наоборот, свободный единичный электрон может размещаться сразу в двух соседних вакансиях, создавая R-центр.

Расположение энергетических уровней электрона в потенциальном ящике определяет окраску кристалла. Чем больше размер потенциального ящика, тем ближе расположены электронные энергетические уровни, тем больше длина волны поглощаемого света. Расположение энергетических уровней и, следовательно, окраска зависят от свойств кристалла (например, размера вакансии) и не зависят от природы донорного атома, поставляющего свободный электрон.

Рис. 9.8. Схема центров окраски

Так кристаллы NaCl приобретают одинаковую зеленовато-желтую окраску при нагревании их как в парах натрия, так и в парах калия. С другой стороны, кристаллы KCl при обработке парами калия приобретают красно-фиолетовый цвет. Аналогичным образом меняют свою окраску галогениды щелочных металлов, а также некоторые оксиды и галогениды щелочноземельных металлов, то есть соединений со значительной степенью ионности химической связи.

Окраска кристаллов может меняться и при действии на кристаллы ионизирующих излучений, например, при облучении кристаллического NaCl рентгеновскими лучами. В этом случае причиной окрашивания считают не отклонение от стехиометрии, а отрыв электрона от хлорид-иона и образование молекулярного иона (Cl–Cl)^–. Если такой центр занимает один узел кристаллической решетки, то его называют Н-центром. Если два узла – то V-центром.

Таким образом, можно говорить о том, что в твердом теле имеется много дефектных центров, которые состоят из двух и более атомных дефектов, находящихся в состоянии связи. В этих более сложных образованиях могут участвовать и электронные дефекты – электроны и дырки.

[1] Ширина линии практически равна ширине щели.

[2] Под обратной съемкой понимают получение рефлексов, соответствующих углам скольжения, близким к 90°.

[3] Если одного снимка бывает недостаточно, делают второй, третий и т.д. - вдоль других направлений.