1.3 Субмікроскопічні та мікроскопічні дефекти структури
Дуже важливим джерелом спотворення ідеальної структури кристала є неоднорідності, що охоплюють окремі його зони, – вони займають порівняно великі ділянки атомних ґраток, але в той самий час дуже малі для спостереження неозброєним оком. На цей час, коли завдяки успіхам електронної мікроскопії ми маємо нагоду безпосереднього спостереження окремих атомів, розділення величин на мікроскопічні й субмікроскопічні стає досить умовним. Ця умовність підтверджується ще й тим, що деякі дефекти, наприклад включення, пори, тріщини, можуть бути будь-якого порядку – як мікроскопічного, так і макроскопічного. Проте категорія мікроскопічних дефектів повинна бути виділена, оскільки інакше незрозумілий зв'язок між порушеннями макроскопічними і неправильностями атомного порядку. З відомою умовністю розглядаються мікроскопічні дефекти, які є спотвореннями ґраток, що охоплюють значні її зони, а тому спостерігаються в оптичні прилади:
а) мікропори і мікротріщини;
б) мозаїчність структури кристала;
в) міжкристалітні граничні прошарки.
Мікропори і мікротріщини. Вони можуть розглядатися у двох аспектах:
1) як зменшення до нехтуваних розмірів порожнини мікроскопічного характеру, що мають технологічне походження (наприклад, усадкові раковини зливка, газові бульбашки, температурні тріщини);
2) як скупчення дефектів ґраток, що є результатом неправильностей атомної будови. Саме з такої точки зору ми тут розглядатимемо дефекти ґраток.
Одним із найважливіших джерел утворення субмікроскопічних і мікроскопічних тріщин (порожнин) є вакансії, які легко переміщаються. За теорією Франка вакансії групуються усередині кристала, головним чином біля дислокацій або інших порушень ґраток, що створюють концентрацію напружень: за відомих умов вакансії скупчуються і мимовільно утворюють мінімальних розмірів порожнини або пори; наприклад, групування вакансій в одному шарі може породити так звану «сидячу» (тобто малорухливу) дислокацію (рис. 1.10), яка сама по собі вже становить стійкий зародок мікропори.
Рисунок 1.10 – Утворення «сидячої» дислокації скупченням
вакансій
Інше характерне місце скупчення вакансій, що відзначається Грінвудом, – це межі зерен, головним чином у зонах розтягувальних напружень. Згідно з орієнтовним теоретичним підрахунком, зробленим І. Я. Дегтярем, кількість вакансій у граничних шарах у багато разів перевищує число їх, необхідне для утворення первинних мікропор товщиною в три атомні шари.
Теорія дислокацій висунула ряд інших можливих механізмів утворення найдрібніших пор в атомних ґратках – потенційних осередків розвитку мікротріщин. Порожнина в ґратках може виникнути у тому разі, коли при деформації кристала починають рухатися групи дислокацій різних знаків.
У місцях скупчення дислокацій у пластично деформованому металі створюється концентрація напружень, особливо в місцях, що розмежовують зони пружних і пластичних деформацій. Дуже ймовірно, що саме тут і виникає зародкова тріщина. Особливо велика небезпека розтріскування у тому випадку, коли дислокації скупчуються перед настільки жорсткою перешкодою, що не можуть її подолати. Такою перешкодою може з'явитися стороннє включення в ґратках.
Згідно з дослідженням Зейтца і Мотта ще одним можливим джерелом зародження первинної тріщини є перехресний рух ряду гвинтових дислокацій. Якщо вони послідовно проходять через одну і ту саму зону, то там накопичується досить вакансій, щоб утворити тріщину.
На специфічні умови, що сприяють виникненню розривів на межах між зернами, вказав Зінер. Крім скупчення вакансій у цих місцях, у суміжних зернах у наявності досить складна картина розподілу залишкових напружень, що охоплюють окремі зони зерна або цілі зерна. Під впливом цих напружень відбувається повільна перебудова в спотворених ґратках, виникають ковзання по межах, змінюється і картина напружень. При цьому цілком можливе утворення складових, що викликають розриви на стиках між зернами (рис. 1.10); така тріщина може розвиватися швидко і мимовільно. Один із ранніх дослідників у галузі фізики твердого тіла, Гріффітс, висунув теорію, згідно з якою у твердих тілах ще до їх деформації під навантаженням існують розподілені по всій масі найдрібніші пори; Гріффітс приписував їм форму витягнутих, гострих еліпсів. Подальші дослідження показали, що якщо ця теорія і придатна для крихких аморфних тіл, наприклад для скла, то теоретичні розрахунки не виправдовують її для пластичних конструкційних металів. Я. І. Френкель висунув іншу гіпотезу – що тріщин у первинній, незайманій, структурі немає, вони з'являються в процесі деформації.
Усадкові раковини, газові бульбашки, тріщини від фазових перетворень і нерівномірного охолодження за деяких умов розподіляються в значному об'ємі металу у вигляді найдрібніших пор, невидимих неозброєним оком, які істотно впливають на якість. Сучасні методи плавлення, спрямовані на підвищення фізичної чистоти металу, дозволяють усунути відмічені в них дефекти і їх негативний вплив на якість металу.
Рисунок 1.11 – Утворення розривів (тріщин) на стиках міжзернами
До таких методів належать вакуумне плавлення, плавлення електронним променем; позитивні результати дав розроблений в Інституті ім. Є. О. Патона метод електрошлакової переплавки, яка дозволяє різко знизити наявність неметалічних включень.
При циклічних навантаженнях розмір і кількість пор істотно впливають на умови руйнування: якщо є незначна кількість порівняно великих пор, тріщина руйнування виникає легше, але розвиток її надалі відбувається нешвидко і може загальмуватися; навпаки, при значній кількості дрібних пор первинне пошкодження настає при напруженнях вище за межу втоми, але, з'явившись, росте швидко, і процес руйнування прискорюється.
Мозаїчна структура. Вивчення структури металу субмікроскопічними методами виявило, що колишні уявлення про ідеальну геометричну правильність будови кристала, форму його граней, кутів не відповідають дійсності. Зовнішні грані кристала – далеко не ідеальні площини: вони покриті виступами, западинами. Наявність цих дефектів – не випадкова, вона є закономірністю розвитку кристалів. Тепер встановлено, що і весь об'єм кристала теж не має ідеально однорідної будови, як це вважалося раніше. З'ясувалося, що кристал ніби складений із численних блоків, осі яких не строго паралельні, а утворюють дуже малі кути – порядку 1°. Оскільки ґрати сусідніх блоків не збігаються за орієнтацією, то стулення їх зв'язане з порушенням правильності ґраток (рис. 1.12). Блоки мають лінійні розміри близько 10-4 см (близько 10000 атомних відстаней).
Б. М. Ровінський винайшов, що в поперечнику кристаліту дрібнозернистої сталі близько 10 блоків, у крупнозернистій сталі, алюмінію, вольфрамі – від 70 до 200 блоків.
Кристал, розділений на блоки, має своєрідну структуру, яка одержала назву мозаїчної.
Рисунок 1.12 – Схема сполучення сусідніх блоків (зерен) укристалах
Мозаїчність структури кристала стосовно розподілу напружень має сама по собі не особливо велике значення, оскільки кути між кристалографічними осями блоків дуже малі. Але істотне значення має виникнення між блоками граничних шарів порушеної структури. Це відображається на деформативності кристала.
У міжблокових перехідних шарах інтенсивніше, ніж у товщі блока, проходить процес дифузії, тому тут збирається більше сторонніх атомів. Тут же скупчується велика кількість дислокації. Як уже наголошувалося, вони рухомі; переміщаючись по атомних рядах, легко досягають межі блока, де і затримуються через значні деформації ґраток. Виникають структури, що нагадують міжкристалітні шари. Для міжблокових граничних шарів характерною межею є утворення їх ланцюжком дислокацій; така будова типова для кристалів, дезорієнтованих на дуже малий кут.
Міжкристалітні граничні шари. Особливості граничних шарів найцікавіші там, де вони найбільш розвинені, – саме між кристалітами. Граничні шари між блоками одного кристала є не надто важливими, де аномалія правильної будови ґраток позначається головним чином лише на її викривленні і в скупченні дислокацій. У міжкристалітних примежових шарах відхилення від нормальної структури значно сильніше; тут певною мірою в наявності деякі з тих особливостей, які визначають різку своєрідність зовнішніх шарів металевого стрижня як монокристала, так і полікристала. Характерні відмінності будови зовнішніх шарів вимагають окремого розгляду; тут же необхідно відзначити ті особливості, які властиві міжкристалітним граничним шарам.
Граничні шари характеризуються різкими порушеннями будови атомних ґраток: при кристалізації виникають великі розбіжності в орієнтації осей сусідніх кристалів. Унаслідок цього сусідні кристали можуть сполучатися різнойменними кристалографічними осями. Стикаються грані з дуже різкою відмінністю величини енергетичної активності. Все це призводить до того, що примежові шари атомів мають безладну структуру. Тут уже вважається неможливою структура у вигляді ланцюжка дислокацій, характерна для міжблокових меж.
Межі між кристалітами характеризуються ще й тим, що тут дифузія атомів проникнення йде значно легше, ніж у товщі кристала: прошарки мають розпушену будову, атоми розміщені неправильно; сили зчеплення незначні, а енергія атомів збільшена. Для переміщення атома в нове положення потрібна набагато менша енергія. У результаті коефіцієнт дифузії в примежових шарах у багато разів вищий, ніж у самих кристалічних ґратках монокристала. Завдяки цьому атоми домішок особливо інтенсивно накопичуються на межах зерен, утворюючи міжкристалітний прошарок. Це одна з найхарактерніших особливостей граничних шарів.
Бейльбі припускав, що ці прошарки мають аморфну структуру, хоча і побудовані з атомів металів. Різниця між кристалічною і аморфною структурами, як відомо, полягає у тому, що при кристалічній будові існує і ближній, і дальній порядок у розміщенні атомів; у аморфній же структурі можливий тільки ближній порядок. Найправильніше вважати, що в граничних прошарках вплив сусідніх кристалів, наявність дислокацій і значних домішок сторонніх атомів настільки спотворюють правильність кристалічних ґраток, що будова їх стає близькою до аморфної. У цих зонах є найдрібніші уламки правильних кристалів (субкристали) з об'ємом по декілька тисяч атомів. Безпосереднє спостереження граничних шарів ще дуже важке унаслідок безладності їх будови, забруднення домішками, це не дає можливості застосовувати такий ефективний метод, як рентгенографічний. Товщина міжзернових шарів оцінюється в 5–20 міжатомних відстаней, тобто близько 100 ?.
Міжзернові прошарки виділяються не тільки своїм складом і будовою ґраток. За даними Мотта, в металі, що сильно наклепується, у прошарків імовірне скупчення значної кількості зародкових тріщин завдовжки близько одного мікрона; внаслідок цього граничні шари набувають особливого значення в процесі деформації і руйнування полікристала.
Звідси бачимо, наскільки велика щодо міцності роль такого, здавалося б, незначного за протяжністю елемента структури, як примежова міжкристалітна плівка.
