Строение реальных металлических кристаллов. Понятие кристаллита. Виды несовершенств кристаллической решетки и их влияние на свойства металлов

Кристаллы металлов имеют небольшие размеры, разветвлены, поэтому металлические изделия состоят из большого числа кристаллов. Металлические изделия имеют поликристаллическое строение, при относительно быстром охлаждении, значительном переохлаждении. При очень медленном охлаждении можно получить крупный кристалл - монокристалл, который получают для полупроводниковой промышленности, научных исследований.

Характер кристаллического строения определяет свойства металлов. Замечено, что с уменьшением зерна, прочность увеличивается и наоборот.

Выявленная в процессе эксплуатации и испытаний прочности металлов(фактическая прочность), на 2 - 3 порядка ниже их теоретической прочности, которой обладают бездефектные металлы. Это объясняется наличием в реальном металле концентратов напряжений металлургического характера (неметаллические включения, ликвация, микротрещины, мелкие газовые пузыри, рыхлоты и т.п.) и дефектов кристаллической решетки (дислокации, вакансии, атомные внедрения элементов), которые показаны на рисунке 2.

Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а -вакансии; б- атом внедрения(в междоузлие); в - примесный атом замещения;

д - схема винтовой дислокации;

г - схема краевой дислокации;

Наличие в металле перечисленных дефектов способствует тому, что межатомные силы задействуются на малом отрезке упругой деформации, затем происходит упруго - пластическая деформация, когда задействует так называемый дислокационный механизм упруго - пластической деформации, развитие которого завершается в конце разрушением металла. Это показывает, что фактическая, техническая прочность в сотни (иногда тысячи) раз меньше теоретической.

Кристаллическая решетка реального металла геометрически не идеальна: нередко отсутствуют атомы, находятся экстраплоскости, идущие от границы до границы зерна. Наиболее характерные дефекты точечные и линейные. К точечным дефектам относятся вакансии и внедренные атомы. Вакансии - это отсутствие атома в узле кристаллической решетки. Атомы внедрения находятся в междоузлиях кристаллической решетки. Это обычно элементы с малым размером атомов: водород, углерод, азот, и др. Линейные дефекты называются дислокациями, которые образуются в результате локальных или местных смещений кристаллографических плоскостей. Дислокации обозначаются знаком «┴» или «┬». Дислокации бывают краевыми, винтовыми; они при наложении силы могут двигаться, перемещаться, изменяясь, превращаясь друг в друга.

При повышении температуры количество вакансий и дислокаций увеличивается, при закалке количество дислокаций также увеличивается. При пластической деформации как в холодном, так и в горячем состоянии количество дислокаций увеличивается и они двигаются, образуя линии скольжения, по которым одни слои металл смещаются относительно других. Прочность металла на разрыв вдоль зерен, вдоль волокон всегда больше, чем поперек.

Известно, что дислокационной системой упрочнения (разрушения) можно управлять за счет выбора химического состава сплава, режимов термообработки, уменьшения концентраторов напряжения. К концентраторам напряжения в металле относятся трещины, включения графита, цементита, мелкие неметаллические включения типа Al2O3, SiO2, FeS, FeP, V2O5 и т.д., мелкие поры, раковины, газовые пузыри и другие нарушения сплошности. Концентраты напряжения в местах их расположения уменьшают расчетные напряжения в десятки и сотни раз. Это равноценно уменьшению фактического рабочего сечения детали.Вследствие этого металл разрушается при низком уровне прочности. Известно, что при обработке металла давлением в холодном состоянии прочность и твердость возрастают, но уменьшается вязкость и пластичность. Это явление называется «наклепом». Наклеп - это самоупрочнение металлов и сплавов в процессе деформации (особенно холодной) за счет увеличения количества дислокаций, изменение формы зерна. Необходимо помнить, что существуют критические напряжения, критический уровень увеличения дислокаций, после которых в металле образуются зародыши микротрещин, переходящих в макротрещины. В результате наступает стадия разрушения.

Кристаллиты, мелкие кристаллы, не имеющие ясно выраженной огранённой формы. Кристаллиты являются кристаллические зёрна в различных поликристаллических образованиях: металлических слитках, горных породах, минералах и т. п. При достижении температуры плавления кристаллитов жесткость материала резко снижается, а деформация возрастает.