2.6. Объемные дефекты

В отличие от рассмотренных ранее точечных, линейных и поверхностных несовершенств кристаллического строения понятие трехмерного дефекта представляется менее определенным. Согласно принятой классификации, объемными дефектами являются такие, которые имеют размеры одного порядка величин во всех трех измерениях. Обычно к ним относят нарушения сплошности кристалла (трещины, поры). Иногда к ним причисляют включения с другой кристаллической структурой (выделения избыточных фаз) или микрообъемы аморфных фаз, хотя принимать их за объемные дефекты вряд ли оправданно.

Классификация объемных дефектов. Наиболее распространенным видом трехмерных несовершенств являются нарушения сплошности материала, существующие в виде пор и трещин. Нарушением сплошности называется дефект (полость) в кристалле, наименьший размер r которого превышает радиус действия межатомных сил сцепления. Фактически это означает, что размер r превосходит 2-3 межатомных расстояния, и противоположные берега полости можно рассматривать в качестве свободных поверхностей.

По происхождению полости подразделяются на структурные и

технологические. К структурным относятся такие, которые возникают в

результате эволюционного развития других дефектов, уже существующих в

решетке, - точечных или линейных. Указанное развитие дефектной

структуры может происходить вследствие внешнего воздействия (например,

механического, теплового) или же из-за внутренних возмущений решетки

(полиморфные реакции, фазовые превращения). Технологическими

считаются несплошности, появление которых целиком обусловлено

80

особенностями осуществления технологических операций - например, прессование порошковых материалов, образование усадочных рыхлостей при кристаллизации.

Деление несплошностей на структурные и технологические в известной мере нужно считать условным, поскольку, например, и структурные полости тоже могут стимулироваться непосредственным осуществлением конкретных технологических обработок.

В ненагруженном кристалле различают два типа нарушений сплошности - трещины и поры. Их можно разделить следующим образом.

Рис.46. Схематическое изображение геометрии поры (а) и трещины (б)

^а 6 г

Ч

2. По энергетическому (силовому) признаку. Особенность трещин состоит в том, что они обладают собственным полем напряжений. В то же время вокруг поры кристалл свободен от напряжений.

3. По эволюционному признаку. Обе полости можно рассматривать как результат постепенного преобразования (эволюции) дефектов более низкого ранга - точечных либо линейных. Так, допустимо считать, что пора формируется за счет трансформации в ансамбли конденсированных

1. По геометрическому признаку. У поры размеры во всех направлениях примерно одинаковы, т.е. выполняется соотношение r₁ « r₂ (рис.46а). В то время размеры трещины существенно отличаются по разным направлениям, следовательно, r₁ >> r₂ (рис.46б).

вакансий, а трещина - вследствие последовательного преобразования дислокационных скоплений.

Простейшим примером трещины является полость, полученная в результате слияния нескольких краевых дислокаций в одну с общим вектором Бюргерса b* =nb (рис.47а), где n - число слившихся единичных дислокаций. Ядро такой объединенной дислокации (её называют сверхдислокацией) становится фактически зародышем клиновидной трещины.

В отличие от трещины пора возникает в результате скопления дефектов, не имеющих дальнодействующих полей напряжения. Такой механизм может проявляться, например, вследствие конденсации ансамбля вакансий. Другой известный способ - это преобразование трещины в пору путем вхождения дислокаций обратного знака в дислокационную микротрещину и её затупления (рис.47б).

а б

Рис. 47. Образование дислокационной трещины (а) и ее затупление с превращением в пору (б)

Если к кристаллу приложено напряжение, то любое нарушение сплошности, в том числе и пора, становится носителем поля напряжений и рассматривается как концентратор напряжений.

Как отмечалось, понятие объемного дефекта является менее определенным, чем понятие других несовершенств - точечных, линейных, поверхностных. Это связано не только с тем, что объемные дефекты часто возникают как результат постепенной эволюции точечных или линейных несовершенств. В своем развитии они проходят последовательные стадии преобразования от весьма малых (формально микроскопических) размеров, соизмеримых с атомными масштабами, до очень больших

(макроскопических). По этой причине дается следующая условная градация объемных дефектов, основанная на их размерном соотношении и существующих способах обнаружения:

1. Макроскопические несплошности - это трехмерные полости разме­ром примерно в 1 мм и более, которые доступно обнаруживаются методами макроскопического наблюдения (визуально, с помощью рентгеновской или магнитной дефектоскопии).

2. Микроскопические несплошности - это полости меньшего размера (несколько микрометров), они наблюдаются на шлифах с помощью метода световой микроскопии (увеличение 100-1000 раз).

Граница между этими видами объемных дефектов довольно условная, поскольку их размерная принадлежность устанавливается, исходя из возможностей экспериментального обнаружения.

3. Субмикронесплошности - отличаются очень малыми размерами (измеряются в нанометрах), следовательно, это дефекты атомного масштаба и по этому признаку их следовало бы причислить к микроскопическим. Из- за малости размеров такие дефекты очень сложно непосредственно наблюдать и поэтому об их присутствии удается судить косвенным образом - на основе измерения какой-нибудь чувствительной физической характеристики, например, плотности.

Образование структурных неспошностей. Как отмечалось, структурные объемные дефекты формируются в результате последовательной трансформации имеющихся дефектов более простых геометрических форм.

Образование трещин. Отличительная особенность трещины состоит в том, что она является комплексом дислокаций, точнее, полым ядром сверхдислокации. Известны различные механизмы образования дислокационных трещин, один из которых (модель Стро) основан на концентрации напряжений в вершине плоского скопления дислокаций у барьера (граница зерна, частица выделения), где и возможно объединение нескольких головных дислокаций, приводящее к образованию клиновидной трещины.

Образование пор. Распространенный механизм возникновения пор - путем формирования локальных скоплений вакансий с последующей конденсацией их в поры. Поэтому пору можно рассматривать как комплекс вакансий. При этом полагают, что если пора ничем не заполнена, то её называют вакансионной. В объеме вакансионной поры фактически реализуется идеальный вакуум. Но чем больше этот объем, тем выше вероятность того, что в него просочатся (за счет диффузии) атомы или молекулы растворенного в металле газа.

Механизм зарождения пор требует высокой концентрации вакансий. Поэтому обработки, связанные с внешним воздействием и приводящие к получению вакансионного пересыщения кристаллической решетки (в результате закалки, сильной пластической деформации, радиационного облучения), объективно создают благоприятные условия для порообразования за счет точечных дефектов.

Специфические особенности эксплуатации металлических материалов могут привести к возникновению в их объеме газовых пор (газовых пузырьков), причем с давлением газа, существенно превышающим атмосферное. В таких случаях поры становятся источниками значительных напряжений, что не наблюдается для пор вакансионных.

Геометрия пор определяется механизмом их образования и особенностями последующего существования в изменяющихся условиях эксплуатации материала. Весьма часто возникают сферические поры, однако возможны и другие формы - правильные и неправильные многогранники, эллипсоиды.

Образование технологических несплошностей. Формирование таких дефектов можно отнести на счет тех технологических операций, которые материал претерпевает по мере осуществления необходимых процедур его изготовления. Так, поры могут возникать вследствие эффекта усадки металла в ходе кристаллизации (при получении отливки, проведении сварки оплавлением и т.д.). Их присутствие обнаруживается в межосевых и междендритных участках и приводит к образованию рассредоточенной усадочной рыхлости.

Другая распространенная схема образования технологических пустот - их появление в процессе прессования и спекания порошковых материалов. Здесь поры возникают вследствие неплотного прилегания отдельных порошковых фракций (частиц) друг к другу, хотя осуществление давления (в ходе прессования) и последующего высокотемпературного нагрева (спекания) существенно снижают пористость материала и увеличивают его плотность.