Идеальное расположение атомов в кристаллах, строго соответствующее типу кристаллической решетки, в реальных усло­виях почти не встречается. В любом реальном кристалле металла или сплава имеются различные несовершенства, т. е. отклонения от абсолютно правильного размещения атомов. Такие несовершен­ства существенно сказываются на всех свойствах металлов, и прежде всего, на их прочности, пластичности, упругости, коррозионной стойкости и т. п.

Нарушения правильной кристаллической структуры практиче­ски неизбежны уже при образовании монокристаллов. При объеди­нении последних в блоки и образовании поликристаллов создаются, кроме того, дополнительные виды не­совершенств. Ниже рассматриваются наи­более важные примеры несовершенств N монокристаллов и поликристаллических —— блоков.

Упругие искажения. Под действием любой силы, независимо от ее природы, атомы кристалла смещаются из своих первоначальных положений. В резуль­тате ЭТОГО кристаллическая структура Рнс. 4. Искажение кристал - искажается (рис. 4). лической решетки поддейст-

Упругая деформация металла, вы - вием сил сдвига - званная действием приложенной внеш­ней силы, является результатом суммирования незначительных по абсолютной величине искажений размеров отдельных ячеек кристаллической решетки. Поскольку первоначальное правильное расположение атомов соответствует минимальному значению свободной энергии, а поэтому устойчиво, любое отклонение из этого положения требует дополнительной затраты работы. Ра­бота, израсходованная на упругое деформирование металла, сохра­няется им в форме потенциальной энергии атомов до тех пор, пока не сняты усилия. При соответствующих условиях эта энергия может

высвобождаться в виде механической работы, теплоты, химической энергии, электричества и т. п.

Например, сжатая пружина, распрямляясь, совершает меха­ническую работу, равную по величине потенциальной энергии, на­копленной атомами в процессе ее сжатия. Известно также, что скру­ченная напряженная пружина быстрее растворяется в кислоте, чем ненапряженная. Практикой установлено, что сварные соединения, имеющие высокие собственные напряжения, больше подвержены коррозии, особенно на участках концентрации напряжений. В двух последних примерах потенциальная энергия атомов, связанная с искажением кристаллической структуры, проявляется в форме

тепловой и химической энергии.

Несовершенства структуры вблизи поверхности металла. Атомы на по­верхности металла находятся в особых условиях по сравнению с расположен­ными в глубине. Внутри кристалла каждый атом взаимосвязан с окру­жающими его соседними атомами. Действующие на него силы симмет­ричны. Поверхностные атомы взаимо­действуют с соседними атомами свободной поверхности, а также с атомами, расположенными внутри кристалла. Силы, действующие на по­верхностный слой со стороны окружающей среды, обычно незначи­тельны, а в условиях высокого вакуума — близки к нулю.

Под действием больших сил притяжения со стороны атомов, расположенных внутри кристалла, атомы слоев, прилегающих к поверхности, сдвинутся из своих нормальных положений (рис. 5). Структура металла в слоях, прилегающих к свободной поверхности, будет искажена. Всякое местное искажение кристаллической решетки связано с приростом энергии, вследствие чего любая сво­бодная поверхность кристалла обладает некоторым запасом поверх­ностной энергии. Величина последней может быть оценена работой, необходимой для образования единицы новой поверхности, напри­мер, при разрушении твердого тела. Поверхностная энергия играет существенную роль в некоторых видах сварки, при адсорбции и дру - 'гих процессах.

Вакантные узлы кристаллической решетки. В результате непре­рывных тепловых колебаний атомов некоторые узлы кристалличе­ской решетки могут оказаться временно незанятыми (вакантными). Явление это в определенных условиях имеет массовый характер и может быть объяснено так.

Постоянство температуры всех участков кристалла характери­зует только среднюю кинетическую энергию атома. В то же время каждый из них обладает собственным запасом энергии, вообще говоря, не совпадающим со средним ее значением для всего объема.

В результате теплового движения и взаимодействия атомов энер­гия между ними постоянно перераспределяется Одни атомы теряют кинетическую энергию, и скорость их движения уменьшается, дру­гие приобретают очень высокие скорости движения, преодолевают силы связей с соседними атомами, покидают свое место и переме­щаются в кристаллической решетке. Возможно также, что сместив­шийся из своего положения атом выйдет на поверхность кристалла и вырвется в окружающую среду.

Наличие вакантного узла создает несовершенство кристалли­ческой решетки, изменяет силы взаимосвязей. Вакантное место в узле может быть замещено соседним атомом, за счет чего в свою очередь образуется вакансия.

С повышением температуры вероятность образования вакант­ных мест в решетке резко возрастает. Возникает цепной процесс перемещения вакансий. Есть области, где вакансии образуются особенно интенсивно. Это поверхностные слои, границы зерен, зоны местных дефектов и т. д. Вакансии оказывают существенное влия­ние на свойства металлов, в особенности на процессы диффузии (см. § 36).

Удаление' атомов в окружающую среду лежит в основе процесса сублимации и объясняет наличие парциального давления паров металла над кристаллом даже при нормальных температурах.

Искажение кристаллической структуры в сплавах При образо­вании твердого раствора атомы растворяемого элемента распола­гаются в решетке растворителя. Они могут замещать атомы послед­него в узлах решетки либо находиться в пространстве между узлами. В первом случае получается раствор типа замещения, во втором — типа внедрения. Вид образующегося раствора зависит от соотношения размеров атомных диаметров.

Так как атомы взаимодействующих веществ различны, процесс растворения всегда приводит к искажению формы и параметров первоначальной решетки растворителя. Это искажение тем замет­нее, чем сильнее отличаются атомы друг от друга. Естественно, что изменение кристаллической решетки существенно сказывается и на свойствах металла. При разработке новых сплавов в технике широко используют это явление и получают конструкционные материалы, коренным образом отличающиеся по своим свойствам от исходных.

Растворы типа замещения дают те металлы, атомные диаметры которых мало отличаются друг от друга,— не более чем на 15%. Креме того, металлы должны быть близко расположенными в ряду напряжений и иметь сходную кристаллическую структуру. Приме­рами пар металлов, образующих растворы типа замещения, могут служить Fe—Мп, Au—Ag, Fe—Ni и др. Указанные пары металлов обладают сходными характеристиками межатомных связей и при­мерно одинаковыми размерами атомов. Большинство пар металлов, удовлетворяющих этим условиям, отличаются хорошей взаимной растворимостью.

Другим типом твердых растворов являются растворы внедре­ния, где атомы растворенного элемента располагаются в пустотах между атомами растворителя. Приняв сферическую форму атомов, теоретически можно показать, что диаметр растворенного атома должен составлять не более 0,59 диаметра атома растворителя. В обычных металлах мы не встречаем столь большой разницы в диа­метрах, поэтому растворы внедрения образуют лишь металлоиды с наименьшим диаметром атома (С, Н, N, В) и некоторые металлы переходных групп. Большая часть остальных металлов дает с ука­занными металлоидами соединения ионного типа (карбиды, гид­риды, бориды и нитриды). Поскольку растворенные атомы имеют малые размеры, то перемещаются они в сплаве очень быстро, не до­жидаясь образования вакансий в пустотах между атомами раство­рителя.

Твердый раствор внедрения обычно имеет структуру раствори­теля, в значительной мере искаженную влиянием внедренных атомов. Если при образовании сплава типа внедрения соблюдается постоянное соотношение числа атомов растворяемого элемента и растворителя, то принято считать, что мы имеем дело с соедине­нием типа внедрения. К этому типу относятся, например, карбиды (Fe;(C) и нитриды (Fe„N) железа. Вследствие больших искажений кристаллической решетки такие соединения мало пластичны и очень тверды.

Несовершенства, возникающие в процессе кристаллизации метал­ла. Процесс кристаллизации металла можно условно разбить на не­сколько стадий: образование зародышей кристалла, развитие

отдельных монокристаллов, группировка и объединение послед­них в поликристаллические блоки.

В начальный период кристаллизации монокристаллы развива­ются из зародышей независимо друг от друга. Скорость роста, раз­меры и расположение их в пространстве различны и зависят от характера теплоотвода, количества жидкой фазы и т. п. В процессе роста отдельно развивающиеся кристаллы сближаются таким обра­зом, что последние атомы жидкой прослойки становятся для них общими. Поскольку кристаллы мешают развиваться друг другу, их форма приобретает случайные очертания, не соответствующие их кристаллографической огранке, а металл представляет собой сросток отдельных зерен — кристаллитов.

На' границе соприкосновения нескольких отдельных кристаллитов никогда не наблюдается правильное расположение атомов, соответ­ствующее параметрам кристаллической решетки. Прежде всего это объясняется тем, что пространственная ориентация кристаллов различна. Атомы последнего слоя жидкой прослойки между сосед­ними зернами занимают какое-то промежуточное положение по отношению к узлам обоих зерен (рис. 6). В результате этого вдоль всей границы их соприкосновения возникают несовершенства струк­туры, которые распространяются в глубь зерен на несколько атом­ных слоев. Эти пограничные слои атомов обладают повышенным
запасом энергии и ведут себя несколько иначе, чем точно такие же атомы, расположенные в глубине зерен. Кроме того, при затверде­вании последних порций металла примеси и загрязнения оттесня­ются к границам зерен, где содержание их становится выше, чем внутри зерна.

Наличие несовершенств и повы­шенного запаса энергии у атомов вблизи граней кристаллитов оп­ределяет химические, физические и механические свойства металлов.

Например, при погружении в кор­розионную среду границы зерен даже самых чистых металлов раз­рушаются быстрее, чем централь­ные части кристаллитов. Это яв­ление служит одной из причин межкристаллитной коррозии. Вы­явление границ зерен при металло­графических исследованиях также основано на разной травимости центральной части зерен и их границ. Повышенное значение свободной энергии пограничных атомов приводит к тому, что плавление металла всегда начинается у границ зерен. Важнб также отметить особую склонность атомов с повышенной энергией к диффузии, за счет чего можно объяснить

более интенсивное проникновение в металл чужеродных атомов по межкристаллитным границам.

Иногда несовершенства в металлах занимают очень малый объем и имеют точечный характер, но могут располагаться и по опреде­ленной линии или плоскости и^ наконец, равномерно распреде­ляться по всему объему кристалла. Примером линейных несовер­шенств являются дислокации (рис. 7). Если под действием сил

(или различных других причин) один слой атомов сдвигается по отношению к другому, то перемещение рядов 1,2,3,... происхо­дит неодновременно. Сначала, и на большую величину, смещаются атомы первого ряда (считая по направлению действующей силы), затем — атомы следующих рядов 2, 3, 4, ... , причем величина смещения по мере удаления от места приложения усилий снижа­ется до тех пор, пока не исчезнет совсем.

Между атомами нижнего ряда 6 и верхних рядов 5' и 6' образу­ется неестественная схема связей, при которой с каждым атомом нижнего ряда 6 связаны два атома верхних рядов 5'и б'.Такое не­совершенство структуры будет наблюдаться вдоль всего ряда 6—6; оно носит линейный характер и называется линейной дислокацией. Количество дислокаций в каждом реальном кристалле велико — около 10® на 1 см2. Дислокации возникают уже в процессе первич­ной кристаллизации, и их следует рассматривать как неизбежные дефекты строения кристаллических тел.

Следует учитывать, что искажения решетки и повышенный запас энергии атомов будут во всех рядах, расположенных вблизи плос­кости сдвига, хотя под названием «дислокация» обычно подразуме­вают только несовершенства по линии 6—6'.

В настоящее время установлено, что дислокации — это наибо­лее важный вид встречающихся в металле несовершенств. Некоторые свойства дислокаций, а также их влияние на показатели меха­нических свойств металлов описаны в гл. II при рассмотрении особенностей пластической деформации металлов.