Кристаллографические исследования позволили развить фундаментальные представления о несовершенстве в кристаллах и особенно о дислокациях, их взаимодействиях и движении, о силах упругости с точки зрения квантовой механики, о диффузии атомов в твердых телах и т. д., что является физической основой для решения основных задач прочности и долговечности материалов.
Конструкционные материалы представляют собой кристаллические твердые тела. По виду связи между атомами (или ионами) и соответствующей кристаллической структуры различают три основных класса твердых кристаллических тел:
- металлы;
- ионные кристаллы (большинство диэлектриков);
- ковалентные кристаллы (полупроводники).
Кроме твердых тел, в технике широко используются органические и неорганические полимеры, разделяющиеся на:
- аморфные, в которых полимерные цепи ориентированы друг относительно друга случайным образом;
- кристаллические, которые состоят из кристаллитов, т. е. участков с упорядоченным расположением цепей макромолекул;
- эластомеры, занимающие промежуточное положение между аморфными и кристаллическими полимерами (под действием механического напряжения и удлинении материала цепи в аморфных областях выпрямляются и располагаются почти параллельно, создавая кристаллическое состояние, при снятии напряжения - восстанавливается практически аморфная структура).
Во всех используемых в промышленности деталях из кристаллических твердых материалов имеются элементарные дефекты кристаллической структуры, которые при определенных условиях эксплуатации могут явиться причиной отказов. Образование дефектов и их перемещение в твердом теле под воздействием тепла и различных внешних факторов может привести к деформации элементов и их разрушению. Дефекты приводят также и к изменению электрофизических свойств материалов.
Наиболее типичными являются следующие виды дефектов:
- точечные дефекты (вакансии, межузельные атомы и др.);
- одномерные (линейные) дефекты (дислокации);
- двумерные поверхностные дефекты (границы зерен и двойников, дефекты упаковки и др.);
- трехмерные (объемные) дефекты (пустоты, включения и др.).
К точечным дефектам относятся:
- вакансии — узлыкристаллическойрешетки, вкоторых
отсутствует атом или ион (незаполненные места в решетке);
- спаренные вакансии (две или более соединенные одиночные
вакансии);
- межузельные атомы основного материала и посторонние
атомы, образующие растворы замещения или внедрения.
Для деталей машин наиболее распространенным типом точечного дефекта являются вакансии, которые оказывают решающее влияние на процессы ползучести, обезуглероживания, графитизации и других процессов, связанных с переносом атомов в материалах.
Обычно различают два вида механизма возникновения вакансии:
- механизм Шоттки — выход атома на внешнюю поверхность или поверхность пор в кристалле;
- механизм Френкеля — образование внутри решетки „своего" межузельного атома и, следовательно, пары „вакансия - межузельный атом".
Дислокациями называют одномерные (линейные) дефекты и искажения структуры кристаллической решетки.
Основной количественной характеристикой дислокаций является вектор Бюргерса, описывающий величину и направление взаимного смещения областей кристалла. Вектор Бюргерса определяют путем сравнения контура вокруг дислокации с соответствующим контуром в совершенной, идеальной части решетки. Дислокации образуют в кристаллах замкнутые петли, изолированные скопления вокруг частиц включений и частиц выделений. Дислокация не может оборваться внутри кристалла; обрывы могут быть только на другой дислокации, на поверхности кристалла, на границе зерен или другом дефекте.
Обычно различают два предельных вида дислокаций: краевые и винтовые, хотя в реальных условиях присутствуют оба вида. В случае краевой дислокации искажение кристаллической структуры вызвано тем, что в части объема кристалла расположена лишняя атомная плоскость. В этом случае под дислокацией понимается линия искажения, которая проходит вдоль края лишней атомной плоскости; вектор Бюргерса перпендикулярен дислокационной линии. В случае винтовой дислокации искажение структуры обусловлено смещением атомов с тех мест, которые они занимают в идеальной кристаллической решетке. В результате происходит скручивание или сдвиг решетки, а линия искажения является винтовой. Вектор Бюргерса винтовой дислокации параллелен дислокационной линии.
Срыв и перемещение дислокаций происходит при пластической деформации под действием внешних сил и термической активации. Обычно различают два типа движения дислокаций:
- движение в плоскости скольжения;
- движение, при котором дислокация выходит из плоскости
скольжения (переползание).
Скольжение краевой дислокации происходит в плоскости, в которой лежат линия (ось) дислокации и вектор Бюргерса. Плоскостью скольжения винтовой дислокации может являться любая плоскость, проходящая через линию дислокации. Пересечение дислокаций приводит к образованию закрепленных дислокаций, вектора Бюргерса которых не находятся в плоскости скольжения; на дислокациях образуются ступеньки, т. е. переходы краевой дислокации с одной плоскости скольжения на другую, расположенную выше на одно межатомное расстояние.
Упрочнение металла методами пластической деформации связано с образованием препятствий для дальнейшего движения дислокаций при их пересечении.
Теория дислокации позволяет качественно описать и объяснить процессы деформации, разрушения и упрочнения твердых тел.