Учебное пособие: Будова атомів металів

Метали і сплави, отримані у звичайних умовах, складаються з великої кількості кристалів, тобто мають полікристалічну будову. Ці кристали називаються зернами, мають неправильну форму і по-різному орієнтовані в просторі. Кожне зерно має власне орієнтування кристалічних ґрат, відмінне від орієнтування сусідніх зерен, унаслідок чого властивості реальних металів усереднюються, і явище анізотропії не спостерігається.

У кристалічних ґратах реальних металів наявні різні дефекти (недосконалості), що порушують зв'язки між атомами і впливають на властивості металів. Розрізняють такі структурні дефекти:

точкові — малі у всіх трьох вимірах;

лінійні — малі у двох вимірах і як завгодно протяжні в третьому;

поверхневі — малі в одному вимірі.

Одним із поширених недоліків кристалічної будови є наявність точкових дефектів: вакансій, дислокованих атомів і домішок (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Точкові дефекти:а — вакансія; б — домішковий (чужорідний) атом; в — дислокований атом

Вакансія — відсутність атомів у вузлах кристалічних ґрат, «дірки», що утворилися в результаті різних причин: при переході атомів із поверхні в навколишнє середовище чи з вузлів ґрат на поверхню (границі зерен, порожнечі, тріщини тощо), у результаті пластичної деформації, при бомбардуванні тіла атомами чи частинками високих енергій (опромінення в циклотроні чи нейтронне опромінення в ядерному реакторі). Концентрація вакансій значною мірою визначається температурою тіла. Скупчення багатьох вакансій може призвести до утворення пор і порожнеч.

Дислокований атом — це атом, що вийшов із вузла ґрат і зайняв місце в міжвузлі. Концентрація дислокованих атомів значно менше, ніж вакансій, оскільки для їх утворення необхідні істотні витрати енергії. При цьому на місці атома, що перемістився, утвориться вакансія.

Домішкові атоми завжди присутні в металі, оскільки практично неможливо виплавити хімічно чистий метал. Вони можуть мати розміри, більші чи менші розмірів основних атомів, і розташовуються у вузлах ґрат чи міжвузлях.

Точкові дефекти викликають незначні перекручування ґрат, що може привести до зміни властивостей тіла (електропровідність, магнітні властивості), їхня наявність сприяє процесам дифузії та здійсненню фазових перетворень у твердому стані.

Основними лінійними дефектами є дислокації. Дислокація — це дефекти кристалічної будови, що являють собою лінії, уздовж і поблизу яких порушене характерне для кристала правильне розташування атомних площин.

Дислокації впливають не лише на міцність і пластичність, але й на інші властивості кристалів. Зі збільшенням щільності дислокацій змінюються оптичні властивості, підвищується електричний опір металу. Дислокації збільшують середню швидкість дифузії в кристалі (рис. 1.8), прискорюють старіння й інші процеси, зменшують хімічну стійкість, тому в результаті обробки поверхні кристала спеціальними речовинами в місцях виходу дислокацій утворюються ямки.

Рис. 1.8. Схема дифузії в кристалі

Поверхневі дефекти виникають на границях зерен, фрагментів і блоків (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Границі зерен:а — схема полікристалічного тіла; б — схема будови границі зерна

Розміри зерен складають до 1000 мкм. Границя між зернами являє собою тонку, в 5—10 атомних діаметрів, поверхневу зону з максимальним порушенням порядку в розташуванні атомів.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1. Що таке зерна?

2. Назвіть групи дефектів (недосконалостей) кристалічних граток.

3. Що належить до точкових дефектів?

4. Що таке вакансія?

5. Що таке дислокований атом?

6. Що таке домішковий (чужорідний) атом?

7. До зміни яких властивостей металів можуть призвести точкові дефекти?

8. Які дефекти належать до лінійних?