Поверхневі і об’ємні дефекти

Поверхневі і об’ємні дефекти – порівняно великі дефекти, що складаються з великого числа атомів. У разі поверхневих дефектів область кристала з сильно порушеним періодичним розташуванням атомів має форму деякій поверхні, товщина цій області в напрямку нормалі до поверхні становить 1-2 міжплощинних відстані. У разі об’ємних дефектів область кристала з порушеним періодичним розташуванням атомів має форму деякого тіла, наприклад еліпсоїда, всі розміри якого відповідають кільком міжатомним відстаням.
Поверхневі дефекти. Поверхня кристала є найочевиднішим прикладом поверхневого дефекту. Відомо, що поблизу поверхні кристала порушується в деякій мірі періодичне розташування атомів. Через це поверхневий шар перебуває в напруженому стані і володіє деякою поверхневою енергією, подібно тому як і поверхня рідини володіє енергією поверхневого натягу. Прагнення кристала як будь-якої системи мати мінімум енергії призводить до мінімальної поверхні кристала. Почасти тому кристали мають форму опуклих багатогранників.
Однак поверхневі дефекти зустрічаються і всередині кристалу. Це пов’язано з тим, що більшість реальних кристалів формуються одночасно з декількох центрів кристалізації і тому складаються із зерен з близькою орієнтацією кристалічних решіток. На межі розділу цих зерен неминуче порушується періодичне розташування атомів (див. Рис. 2.17). Такі межі називають малокутових.
Існують й інший тип кордонів – кордони між кристалічними зернами в поликристаллическом матеріалі. У цьому випадку разоріентіровка кристалічних решіток сусідніх зерен буває довільною.
Межі зерен кристала з порушеною кристалічною решіткою перебувають звичайно в напруженому стані. Тому саме поблизу кордонів зерен кристала під дією зовнішніх, додаткових механічних напруг і відбувається найчастіше розлом кристала.
Уздовж кордонів зерен швидше проходить дифузія атомів (так звана межзеренного дифузія), і, зокрема, атомів газів, здатних викликати небажані хімічні реакції з атомами кристала. Через це погіршується корозійна стійкість виробів з кристалічних речовин. Продукти цих реакцій (наприклад оксиди, нітриди та ін.) Будуть додатково спотворювати кристалічну решітку поблизу кордонів зерен, через що неминуче підвищиться ймовірність розлому кристала уздовж кордонів його зерен і в цілому його крихкість.
Існують декілька способів зменшення негативного впливу розглянутих вище поверхневих дефектів на механічні та корозійні властивості кристалів.
Перший, найпоширеніший спосіб – це витримка кристала при температурі приблизно в 2 рази меншою температури плавлення. У процесі такої витримки відбувається міграція атомів, і напруги поблизу кордону частково зменшуються, через що і кілька ускладнюється дифузія уздовж кордонів і поліпшується корозійна стійкість кристала.
Другий, менш поширений і дорогий спосіб – використання монокристалічних матеріалів з малими кутами разоріентіровкі сусідніх зерен. Його застосовують, зокрема, при виробництві лопаток газових турбін. Монокристалічні лопатки, в яких зведена до мінімуму межзеренного дифузія, служать довше і при більш високих температурах, ніж такі ж лопатки з полікристалічних матеріалів.
Межі зерен, як і інші дефекти, впливають на теплопровідність і електроопір, оскільки на них відбувається додаткове розсіювання переносять енергію фононів і переносять енергію і заряд електронів. Особливо сильний вплив поверхневих дефектів на теплопровідність і електроопір спостерігається при низьких температурах, коли довжини вільного пробігу фононів і електронів виявляються порівнянними з розмірами кристалічних зерен (див. Глави 3 і 4).
Об’ємні дефекти. До об’ємних дефектів відносять мікровключення інших фаз, пори і тріщини. Останні два типи дефектів – вкрай небажані для матеріалу, оскільки спотворюють практично всі його фізичні властивості, причому найбільш значно погіршують міцність і пластичність виробів.
Мікровключення інших фаз широко використовують для поліпшення міцності матеріалу. У такому випадку спеціально створюють структуру подібну залізобетону, що складається з речовини основної фази і упрочняющей фази. Найкращі результати виходять, якщо кристалічні решітки обох фаз “вдало стикуються” вздовж деяких площин. Прикладами можуть служити сплави алюмінію з міддю і алюмінію з літієм.
У сплавах алюміній-мідь (широко відомих як дюралюміній), що містять близько одного відсотка міді, в процесі витримки при температурі 200 С атоми міді групуються у вигляді дискових тонких, товщиною 1-2 атома, скупчень. Формується структура, що складається з кристалічної решітки алюмінію, в якій в місцях дискових скупчень атоми алюмінію замінені на атоми міді. Міцність такого матеріалу виявляється значно вище, ніж у чистого алюмінію, оскільки в такій структурі рух дислокацій сильно утруднено дископодібна скупченнями атомів міді. Такі сплави (зокрема, дюралюміній) широко використовуються в авіа-і ракетобудуванні як легкий і досить міцний матеріал.
У сплавах алюміній-літій, що містять близько трьох відсотків літію, в процесі витримки при температурі 200 С атоми літію і алюмінію групуються у вигляді округлих скупчень, розміром в 50-500 міжатомних відстаней, що мають таку ж кристалічну решітку, як і алюміній (більше того, решітки обох областей є ніби продовженням один одного), але дещо менший параметр кристалічної решітки. Сплав складається з кристалічної решітки алюмінію, в яку вкраплені округлі області фази, збагаченої літієм, кристалічна решітка яких злегка деформована кристалічною решіткою алюмінію. Міцність такого матеріалу виявляється значно вище, ніж у чистого алюмінію, оскільки в такій структурі рух дислокацій сильно утруднено округлими областями іншої фази. Сплави алюміній-літій широко використовуються в авіа-і ракетобудуванні як легкий і досить міцний матеріал.
В даний час знайдені шляхи управління формою і розмірами областей виділяються об’ємних дефектів шляхом проведення спеціальних термообробок за рахунок використання енергії пружної взаємодії кристалічних решіток областей фаз, зовнішнього магнітного поля під час проведення термообробок і деяких інших чинників.
Детально розглянуті в розд. 5.5 матеріали для постійних магнітів на основі сплавів і є прикладами сплавів, в яких спеціально створюється структура з областей феромагнітної фази певного розміру і витягнутої форми, оточеній прошарками парамагнитной фази.

Посилання на основну публікацію