Атомдық жазықтық пен бағытты кристолографиялық белгілеу

Кристоллографиялық жазықтық пен бағытты табу үшін кристаллографиялық остерді пайдаланады. Торұяның бір бұрышына координаттық остің бас жағын орналастырады, ал кристаллографиялық остер элементарлы тордың қырының үстімен жүреді. Кординатты ось + х қараушыға қарай бағытталады, координатты ось + у көлденең бағытпен оңға қарай бағытталады, ал координатты ось + z жоғары қарай бағытталады.

Кристаллографиялық жазықтықтың кеңістікте орналасуын координатты осте оны кесетін кесіндіні пайдалана отырып табады. Әрбір кристаллографиялық остің бойымен өлшем бірлігі ретінде осы остің бағытындағы тордың периодын қабылдайды немесе элементарлы тордың қырының ұзындығын қабылдайды (а, в, с). Мысалы 1.4 суретте штрихталған жазықтықтар х, у, z осі бойымен мынадай кесінді мөлшермен кесіледі: () (1. 4, а сурет); ()(1.4, б сурет); (111)(1.4, в сурет); (11½) (1.4, г сурет).

1.4 - сурет Крисаллографиялық жазықтықтар

Математикалық есептеулерде бөлшекті сандармен және шексіз сандармен жұмыс істемеу үшін кристаллографиялық осте жазықтықпен қиятын кесіндіге кері мөлшерлерді қолданады. Сонда осы мөлшерлердің қатынасын үш ең кіші бүтін сандар қатынасына келтіреді. Дөңгелек жақшаның ішіне алынған және кристаллографиялық оске қатынасты берілген жазықтықтың бағытын сипаттайтын осындай үш сандар (h k l) жиынтығын жазықтық индексі деп атайды. 1.4 суреттегі штрихталған жазықтықтарда мынадай индекстер бар: () = (100); () = (110); () = (111); () = (112).

Егер жазықтық кристаллографиялық остің теріс мөлшерін қиып өтетін болса, онда индекстің үстіне алу белгісін қойады.

Белгілі индекстер жиынтығы, мысалы (110), кеңістікте жалғыз жазықтықтың бағытын сипаттамайды, ол координаттың басынан бір жақта орналасқан параллелді ұқсас жазықтықтарды сипаттайды. Мысалы, штрихталған жазықтық (110)-ге параллелді x және y осінде екі немесе үш тор периодына тең кесіндіні қиятын жазықтықтарды көрсетсек, яғни жазықтықтар () және (), онда олардың екеуіде параллелді ұқсас жазықтықтар (110)-ге жатады.

Егер барлық индекстерді кері белгіге ауыстырсақ, мысалы (110)-дың орнына (), онда жаңа индекстер бұрынғыға ұқсас параллелді жазықтықтың бағытын сипаттайды. Бірақ жаңа жазықтықтар координатты остің басынан екінші жақта орналасады. Координаттардың басын еркін таңдайтын болғандықтан (h k l) және () индекстері ұқсас, параллелді бірдей жазықтыққа жатады. Жазықтық, таңдалған координаттың басынан өтетін жағдайда, оның индексін анықтау үшін координаттың басын тор ұяның басқа шынына ауыстыру керек немесе біріншіге параллелді көрші жазықтықты қарау керек.

Атомдық құрылыстарды бірдей бірақ паралельді емес жазықтықтарды эквиваленті жазықтықтар деп атайды. Мысалы, паралельді емес кристаллографиялық эквиваленті жазықтықтар (100), (010) және (001) оларға параллелді жазықтықтармен (), () және () кубты құрайды. Кубтың жиынтық алты кристаллографиялық эквиваленті жазықтықтарын (қырларын) фигуралы жақшаға алынған кез келген бір жазықтықтың (қырдың) индексімен белгілейді. Мысалы, {100} немесе {001} және т. б. Октаэдрлік сегіз кристаллографиялық эквиваленті жазықтықтарда (111), (), (), (), (), (), (), () мынадай бір индекспен {100} белгілейді. Ромбалық додаэкаедрдің он екі кристаллографиялық эквиваленті жазықтықтарын (110), (101), (011), (), (), (), (), (), (), (), (), () мынадай бір индекспен белгілеуге болады {110}.

Кеңістік торында тағыда кристаллографиялық бағыттарды анықтайды.

Қандай да бір ұқсас параллелді түзудің бағытын анықтау үшін түзу ретінде координаттың басы арқылы өтетін түзуді таңдайды. Бұл түзу сызықтың басында бір біріне қарағанда белгілі ара қашықтықта болатын атомдар орналасқан. Жоғарыда айтылған бағыттың кеңістіктегі орнын кез келген атомның координатасымен табуға болады. Сондықтан бағыттардың индексі ретінде үш өзара жәй бүтін санды алады. Осы сандар қарайтын түзуге жататын кез келген атомның координатасына пропорционалды. Өлшем бірлігі ретінде тордың периодын қабылдайды. Нүкте координатасының алынған мәнін үш ең кіші бүтін сан қатынасына әкеледі. Квадратты жақшаға [ u v w ] алынған осы сандар барлық ұқсас параллелді бағыттың және берілген бағыттың индексі болады (1.5 сурет). Мысалы, мынандай индекстер [100], [010] және [001] кристаллографиялық остікі болады. Параллелді емес жиынтық эквиваленті кристаллографиялық бағыттарды сынық жақшаға алынған бағыттардың біреуінің индексімен белгілейді. Мысалы, куб қырларының жиынтық алты бағытын [100], [010], [001], [ ], [ ], [ ] мынандай бір индекспен <100> белгілеуге болады. Куб қабырғасы диагоналының барлық бағыты жиынтығын <100>, ал кубтың кеңістік диагоналдарының барлық жиынтық бағытын <111> индекстерімен белгілеуге болады.

Гексагоналды торда координаттардың басын торұя табанының центріне орналастырады. Кристаллографиялық остер x, y және и осы центрден торұяның алты бұрышты табанының шыңы арқылы жүргізіледі. Олар біріне қарай бірі 120⁰ бұрышпен орналасады, ал z осі гексональді призманың тік осі болады. х, y және и осі бойымен өлшем бірлігі ретінде тордың периоды а -ны қабылдайды, ал z осі бойымен с периодын қабылдайды.

Кубтық тордағы сияқты, гексагоналды торда жазықтық индексі болып төрт кристаллографиялық осте жазықтықпен кесілетін кесіндігі кері ең кіші бүтін сандарға келтірілген мөлшерлер есептеледі Басқа индекстермен қатар і индексі u осінде кесілетін кесіндіге кері мөлшерді анықтайды. Мысалы, алдыңғы тік қабырғаның мынандай индекстері бар (), яғни , ал бүйірлік штрихталған қабырғада мынандай индекстер бар , яғни .

Бағыттардың индекісін анықтау үшін гексоганальді торда тағыда төрт индексті жүйені жиі қолданады. Ол үшін бағытты координаттың басына қатысты өзіне параллельді етіп көшіреді және кез келген оның нүктесінен төрт кристаллографиялық оске перпендикуляр түсіреді (1.5, б сурет).

	1.5 - сурет Кубтық торлардағы кристалографиялық бағыттардың индексі

 

 

Әр түрлі жазықтықтарда атомдардың орналасу тығыздығы бірдей еместігі оңай көруге болады. Мысалы, КЦК торындағы жазықтық (100) құрамына тек 1 атом кіреді (), ал ромбалық додекаэдр жазықтығы (110) құрамында 2 атом болады (тордың шыңында орналасқан атомдар 1 атом болып есептеледі ()) және бір атомды кубтың центрінде орналасқан атом қосады. БЦК торында, атомдары ең тығыз орналасқан жазықтық болып октаэдрлік жазықтық (111) есептеледі, ал КЦК торында ондай жазықтық болып (110) жазықтығы саналады.

Әр түрлі жазықтық және бағыттарда атомдардың тығыздығының бірдей еместігі себебінен, әр кристалдың көп қасиеттері (химиялық, физикалық, механикалық) тордың бағыттарына қатысты дайындаманы кесуге байланысты болады. Осындай әр түрлі кристалографиялық бағыттарда монокристалдың қасиетінің бірдей еместілігін аннизотропия деп атайды.

Қасиеттері бағытпен байланысты емес аморфты денелерге (шыны, пластмасалар т.б.) қарағанда кристалдың өзгешілігі, оның анизотропты дене екендігінде. Техникалық металдар поликристалды болады, яғни сандары көп анизотропты кристалиттерден (түйіршіктен) тұрады. Көп жағдайларда кристаллиттер (түйіршектер) біреуі екіншісіне қатысты статикалық тәртіпті бағытталмайды. Сондықтан түйіршіктердің қасиеттері барлық бағытта азды-көпті бірдей болады, яғни поликристалды дене жалған изотропты дене деп есептеледі. Егер кейбір бағытта кристаллиттерде (түйіршіктерде) басымды бірдей бағыт бар болса, онда металдың қасиеттерінің жорымалды бірдейлігі кейбір бағытта сезілмейді. Осындай бағыттылық немесе текстура белгілі дәрежеде (толық емес) жасалынады (мысалы, едәуір суық деформацияның нәтижесінде). Мұндай жағдайда поликристалды металл анизотропиялық қасиетке ие болады.

Негізгі әдебиеттер: [2] (тарау 1, бет 9 – 42); [4] (тарау 8, бет 43 – 91).

Қосымша әдебиеттер: [5] (тарау 1, бет 5 – 105).

Бақылау сұрақтары:

1. Металдарда қандай қасиеттер бар?

2. Кристалдық торда атомдар қалай орналасады?

3. Металдық байланыс деп қандай байланысты айтады?

4. Ковалентті байланыс деп қандай байланысты айтады?

5. Иондық байланыс деп қандай байланысты айтады?

6. Торұя деп нені айтады?

7. Элементарлы тор деп нені айтады?

8. Периодтар дегеніміз не?

9. Көлемдік центрленген куб (КЦК) торында атомдар қалай орналасқан?

10. Беттік центрленген куб (БЦК) торында атомдар қалай орналасқан?

 

№2 дәріс. Металдың кристалдық құрылымының ақаулары.

Нүктелік ақаулар. Нүктелік ақаулардың өлшемдері барлық үш бағытта бірнеше атом аралық қашықтыққа тең. Нүктелік ақауларға ваканциялар, түйін аралық өзіндік және қоспа атомдар жатады.

Қатты металда еритін қоспалардың атомдары немесе иондары, оның кристалдық торының түйіндерінде негізгі металдың атомдарын алмастырып, алмасу ерітіндісін немесе негізгі металдың кристалдық торының октаэдрлік, тетраэдрлік, т.б қуыстарына орналасып, ену ерітіндісін құрайды. Мұндай қатты ерітінділердің ішінде, кез келген алмасу немесе ену атомдарының төңірегінде металдың кристалдық торы серпімді деформацияланып, ішкі серпімді кернеулер пайда болады. Атомаралық қашықтықтармен байланыс энергиялары және кристалдық тордың симетриясы өзгереді. Сонымен бірге, валентті электрондардың концентрациясы да өзгеруі мүмкін.

Қоспа атомдары мен иондары кез келген техникалық металдың сапасын төмендететін негізгі ақаулар болып саналады. Олар, металдың кристалдық күйін, атомдық-кристалдық құрылысын және фазалық құрамын өзгертетіндіктен, металдың барлық қасиеттеріне едәуір әсер етеді. Алмасу және ену атомдары, олардың әр түрлі атмосфералары, химиялық қосылыстары ең алдымен металдың механикалық қасиеттеріне әсер етеді. Дислокациялардың сырғуына үлкен кедергі болып, металдың илемді деформациясын қиындатады, берікігі мен қаттылығын арттырып, илемділік қасиеттерін төмендетеді.

Ваканциялар (Шоттки ақауы) деп кристалдық тордың атомдар (иондар) орналаспаған, бос түйіндерін айтады. Олар ең көп кездесетін нүктелік ақауларға жатады. Кристалдың ішінде әр түрлі себептермен пайда болады. Мысалы, олар металл бетіне әр түрлі сәулелермен әсер еткенде, илемді деформациялау және термиялық өңдеу кезінде немесе металлдың кристалдануы кезінде пайда болады. Ваканциялардың, пайда болуы үшін, кристалдық торда атомдардың термиялық активтенулері керек. Іс жүзінде кезкелген температурада, кинетикалық энергиясы осы температураға сай орташа энергиядан артық атомдар кездеседі. Мысалы, металдың ішкі және беткі қабаттарында, оның химиялық құрамы мен температуралық өрісі бірдей емес. Кейбір атомдар көрші атомдармен әр түрлі әсерлесу нәтижесінде қосымша энергия алуы мүмкін. Егер кристалдың беткі қабатына жақын орналасқан осындай активтенген атомдардың бірі кристалдың бетіне шықса, онда оның орнында кристалдық тордың бос түйіні – ваканция пайда болады.

Ваканцияның осылай пайда болуын, ваканция Шоттки механизімінің көмегімен пайда болды деп атайды. Келесі сәтте ваканцияның орнына көршілес басқа атомдар (иондар) өтуі мүмкін. Осындай атомдар мен ваканциялардың үздіксіз орын алмастырып отыруы, кез келген температурада атомдардың диффузиялық жолмен қайта бөлініп орналасуын қамтамассыз етеді (диффузияның ваканциялық мехенизмі). Мысалы, тығыздығы жоғары кристалдарда өзіндік атомдардың диффузиясы тек ваканциялық механизмнің көмегімен жүреді. Өйткені, диффузияның басқа механизмдеріне қарағанда атомдардың активтенуі энергиясы аз, ваканциялармен орын алмасуы оңай жүзеге асады.

Жылулық қозғалыс нәтижесінде активтенген иондардың кейбіреулерінің кристалдық тор түйіндерінен түйін аралық бос орындарға (октаэдрлік, тетраэдрлік қуыстарға) өтулері мүмкін. Пайда болған екі нүктелік ақаулардың, вакансия мен түйін аралық атомдардың жұптары Френкель ақаулары деп аталады. Френкель механизмінен пайда болған вакансия да, түйінаралық иондар да бір орында қалмайды. Олар бір түйінаралық қуыстан екіншісіне өте алады.

Нүктелік ақаулардың пайда болуына орай, олардың төңірегіндегі микрокөлемдерде кристалдық тор серпімді диформациаланады. Тордың симметриясы бұзылып, атомдардың орналасу реті мен тығыздығы, арақашықтықтары, байланыс энергиялары өзгеретіндіктен, металдың макроқасиеттері де өзгереді.

Сызықтық ақаулар. Сызықтық ақауларға дислокациялар мен түйінаралық атомдардың тізбектері жатады. Олардың өлшемдері бір бағытта микрокристалдың (түйіршіктің) өлшеміндей, ал қалған екі бағытта бірнеше атомаралық қашықтыққа тең. Сызықтың ақаулардың ерекше және маңызды түрі болып дислациялар есептеледі.

Ғылымда қалыптасқан жалпы анықтама бойынша дисклокация деп кристалл ішіндегі сырғу аймағының шекарасын көрсететін сызықтық ақауды айтады. Мұндай шекара сырғу жазықтығының деформация жүріп өткен бөлігін, әлі деформация басталмаған бөлігінен бөліп тұрады.

Дислокациялар шеттік, бұрандалы және аралас дислокациялар болып үшке бөлінеді.

Шеттік дислокациялар. Тәжірибеде көрсетілгендей кез келген жеке микрокристалдың ішінде бірнеше толық емес (демек түйіршіктердің бір бетінен екінші бетіне жетпейтін) атомдық жазықтықтар кездеседі. Мұндай жартылай, толық емес атомдық жазықтықтарды- экстра жазықтықтар деп атайды. Экстражазықтықтың кристалды деформациялау кезінде пайда болуын қарастырайық (2.1 сурет). Параллепипед формалы кристалдың жоғарғы бөлігінің оң жақ шеті төменгі бөлігіне қарағанда бір атомдық арақашықтыққа қысылған. Деформация сырғу жазығын түгел қамтымаған, кристалдың сол жақ бетіне жетпеген. АВСД сырғу жазықтығының деформация жүріп өткен бөлігі, ал АВ сызығы осы бөліктің шекарасы.

2.1 суретте жай куб торы бар параллелепипедтік кристалдың АВ сызығына перпендикуляр қимадағы атомдардың орналасу сұлбасы көрсетілген. Сұлбада кристалдың 9 тік атомдық жазықтықтарының іздері көрсетілген. Бірақ кристалдың жоғарғы бөлігін бір атомаралық қашықтыққа жылжытудың нәтижесінде, оның жоғарғы бөлігінде артық жартылай атомдық жазықтық пайда болған. Жоғарғы бөлігіндегі 9 атомдық жазықтық төменгі бөліміндегі 8 атомдық жазықтыққа қарсы орналасқан. Кристалдың жоғарғы бөлігіндегі толық емес атомдық жазықтық экстражазықтық болып табылады.

Артық атомдық қабат (экстражазықтық) кристалды иіп, оған сына тәрізді әсер етеді. Экстражазықтықтың төменгі шетінде кристалдық тордың симметриясы бұзылады. Эктражазықтықтың шетінен, жоғарғы бөлігіндегі атомдардың орналасу тығыздығы үлкен, атомаралық қашықтық тепе-теңдік кезіндегі мәнінен аз (d ₁ < d ₀). Ал оның шетінен төмен орналасқан атомдардың тығыздығы аз да, атомаралық қашықтықтары үлкен (d ₂ < d ₀). Экстражазықтықтың шекарасында орналасқан атомдардың координациялық саны, кристалдық тордың деформацияланбаған бөлігіндегі координациялық саннан кіші. Дислокацияның гидростатикалық созылу аймағында (экстражазықтың астында) артық электрондар жиналады, ал гидростатикалық қысылу аумағында (экстражазықтың үстінгі шетінде) электрондар азайады, яғни оң зарядтың тығыздығы жоғары болады. Сондықтан дислокация оң және теріс зарядтардан тұратын сызықтық әлсіз электр диполі болып табылады.

Сонымен, экстражазықтың төменгі шетінің бойымен атомдық-кристалдық құрылысы бұзылған сызықтың ақау пайда болады. Оның ұзындығы кристалдың ұзындығына тең (l ₂ = AB), ал оған перпендикуляр екі бағытта өлшемдері аз – екіден он атомаралық қашықтыққа дейін жетеді.

Осындай экстражазықтың шетінің бойымен пайда болған металдың кристалдық құрылысының сызықтық ақауын шеттік дислокация деп атайды. Дислокацияны осі АВ сызығы болатын (2.1 - сурет) экстражазықтық шетіндегі құбыр сияқты көзге елестетуге болады. Мұндай құбырдың ішінде (дислокацияның ядросында) атомдардың орналасуы шынында белгісіз, ондағы кристалдық тор қатты өзгерген. Ал оның сыртында кристалдың құрылысы өте оңды торға жақын. Шеттік дислокацияның ядросы ^ (оң) немесе ┬ (теріс) таңбалармен белгіленеді. Егер экстражазықтық кристалдың жоғарғы бөлігінде болатын болса, онда дислокацияны оң, ал төменгі бөлігінде болатын болса, онда дислокацияны теріс деп атайды. Оң және теріс дислокациялардың арасындағы айырмашылық шартты болып есептеледі. Кристалды аударып біз теріс дислокацияны оң дислокацияға айналдырамыз. Дислокацияның белгісі олардың әсерлесуін талдағанда өте маңызды.

2.1 - сурет Экстрожазықтық

 

Белгілері әр түрлі диклокациялар бір біріне тартылады, ал белгілері бірдей дислокациялар бір бірін тебеді. Әр түрлі белгісі бар дислокациялардың жақындауы, олардың өзара жойылуына алып келеді.

Шеттік дислокация сызығы жанама кернеуге (сыртқы күштің әсерінен пайда болған жанама кернеу бағытына) перпендикулярлы. Ол тағы да, сырғу деформациясы жүріп өткен аймақтың шекарасын көрсетеді.

Бұрандалық дислокациялар. 2.2, а суретінде көрсетілгендей, кристалды АЕFД жазықтығы бойымен тіліп, оның алдынғы оң жақ бөлігін төмен қарай бір атомдық арақашықтыққа сырғытайық. Осының нәтижесінде кристалдың жоғарғы бетінде пайда болған баспалдақ, оның бүкіл ені бойымен өтпейді, F нүктесінде бітеді. Жай куб кристалдың торы 2.2, а суретте көрсетілгендей болып өзгереді. Кристалдың алдыңғы бетінде (А нүктесінің төңірегінде) оң жақтағы атомдар тура бір атомаралық қашықтыққа жылжыған. Бірақ, кристалдың оң бөлігінің сол жаққа қарағанда төмен сырғуы, А нүктесінен F нүктесіне қарай бірте-бірте азая түседі. Сондықтан үстінгі атомдық жазықтық иіліп, деформацияланады. Сонымен қатар, қалған атомдық жазық қабаттар, АЕFД жазықтығы бойымен кристалдың оң бөлігін жартылай бір атомаралық қашықтыққа жылжытудың нәтижесінде, бұрандалы баспалдақ тәрізді оралған тұтас бір атомдық жазықтыққа айналады (Геликоид тәрізді).

2.2, б суретте деформация кезіндегі АЕFД сырғу жағындағы тік жазықтықтардағы атомдардың орналасу сұлбасы көрсетілген. Кристалдың бүйір жағынан қарағандағы сұлбада, қара дөңгелек нүктелер сырғу жазықтығының (АЕFД) сол жағында, ал ақ дөңгелектер, оның оң жағында орналасқан атомдарды көрсетеді (2.2, б сурет). Пайда болған баспалдақ штрихталған.

Сұлбаде ЕF сызығының оң жағындағы 7, 10–ші атомдық қатарлар аралығында, сол жағындағы 1, 4 – ші атомдық қатарлар аралығында ақ және қара дөңгелектермен белгіленген атомдар бір деңгейде орналасады. Ал 4, 7–шы атомдық қатардағы ақ және қара дөңгелектермен белгіленген атомдар ЕF сызығының төңерегінде оның бойымен бұрандалы атомдық баспалдақ құрады.

Сонымен, жоғарыда қарастырылған сырғу деформациясы нәтижесінде ЕF сызығының төңірегінде металдың атомдық-кристалдық құрылысы бұзылып, сызықтық ақау пайда болады. Оның бір өлшемі ЕF сызығымен кристалдың биіктігіне тең, ал қалған екі бағыттағы өлшемдері аз, яғни бірнеше атомаралық қашықтыққа тең. Мұндай ақаудың ішінде орналасқан атомдардың координациялық сандары басқа, атомаралық қашықтықтары, байланыс энергиялары, қасиеттері өзгерген, кристалдық тордың симметриясы мен атомдардың орналасу реті бұзылған. Ал ЕF сызығы сырғу деформациясы жүріп өткен аймақтың шекарасын көрсетеді. Сондықтан ЕF сызығының бойында бұрандалы баспалдақ тәрізді атомдық жазықтықтан тұратын кристалдың ақауын бұрандалы дислокация деп атайды. Іс жүзінде техникада қолданылатын металдар мен қорытпаларда пайда болатын бұрандалы дислокацияның ядросындағы атомдардың орналасуы белгісіз. Бұрандалы дислокация оң немесе сол болуы мүмкін. Егер бұрандалы дислокация сағат тілі бойымен қозғалыста құрастырылса, онда оны оң деп атайды, ал сағат тіліне қарсы қозғалыста құрастырылса, онда оны сол деп айтады.

Күш

2.2 – сурет. Q жазықтығы бойынша толық емес ығысудың нәтижесінде ЕF бұрандалы дислакацияның пайда болуының кеңістіктік моделі (а) және бұрандалы дислокация аймағында атомдардың орналасуы (б)

 

Шеттік дислокация сияқты, бұрандалы дислокация АЕFД жазықтығы бойымен кристалдың толық емес ығысуымен пайда болады. Шеттік дислокация бұрандалы дислокацияның айырмашылығы, ол оның ығысу векторына параллельдігі.

Аралас дислокациялар. Кристалдық тордың ішіндегі сырғу деформациясының шекарасы әрқашанда тұйық сызық болып келеді. Оның бір бөлігі кристалдық сыртқы бетімен өтеді. Сондықтан дислокация сызығы кристалдың бетіне шығып, не оның ішінде тұйықталуы керек. Онда, осы дислокация сызығы шеттік және бұрандалық дислокациялардың бір–біріне жалғасқан бөліктерінен тұруы мүмкін.

Жалпы жағдайда сырғу жазығындағы дислокация қисық сызық болып табылады. Оның кейбір өте қысқа бөліктері таза шеттік немесе бұрандалық дислокацияларға жатады. Бірақ оның негізгі бөлігі сырғу векторына параллельді де, перпендикулялы да емес, кездейсоқ бағытталады. Мұндай дислокацияларды аралас дислокациялар деп атайды. Олардың дислокациялық сызықтықтары жазық қисық болып табылады.

2.3 суретте сырғу жазығының шекарасы АС қисық сызық болатын аралас дислокация көрсетілген. Мұндай дислокацияның сырғу векторы әрқашан сырғу жазығында жатады.

Металдық дислокациялық құрылымының сандық сипаттамасы Бюргерс векторы және дислокациялардың тығыздығы болып табылады.

Бюргерс векторы дислокацияның пайда болуына байланысты кристалдық тордың бұзылу дәрежесін көрсетеді. Ол дислокацияның энергиясын, оған әсер етуші күштерді және дислокацияға байланысты сырғудың бағыты мен шамасын анықтайды. Дислокацияның қозғалу қабілетіне әсер етеді.

2.3 – сурет. Аралас дислокацияның ілмегінің сырғуы

 

Дислокация қоздыратын тордың бүлінгендік дәрежесін бағалау үшін дислокациясы бар болатын жетілмеген кристалды жетілген кристалмен салыстыру керек. Ол үшін Бюргерс қарамын салады. Яғни, кристалдың жетілген аймағымен ақауды жүйелі жолмен атомнан атомға айналып өтетін, нақтылы кристалда, оны шартты етіп бөлетін, еркін түрі бар тұйық қарамды салады.

Шеттік дислокацияның Бюргерс векторын анықтау үшін АВСDE қарамын дислокацияның айналасында салайық (2.4, а сурет). Ол үшін А нүктесінен жоғары қарай, сағат тіліне қарсы қозғалыста пайда болатын, алты атомаралық қашықтықтары бар AB, BC, CD және DE кесінділерінен тұратын қарамды салады. Қарам DЕA кесіндісінде тұйықталады. Бұл DA кесіндісі бес атомаралық қашықтықтан тұрады. Дислокациясы жоқ кристалда D^'A ^' кесіндісі басқа кесінділер сияқты алты атомаралық қашықтықтан тұрады.

Өте оңды тордың жазықтығында берілген атомның айналасында салынған периметрмен (2.4, а сурет), нақты тордың дислокациясы центрінің айналасында салынған периметрдің (2.4, б сурет) айырмасы (A’B’C’D’ - ABCD) Бюргерс векторы деп аталады. Бюргерс векторы сырғанау процесінде сырғу бағытын және мөлшерін көрсетеді.

Бұрандалы дислокациясы бар кристалда Бюргерс векторын жоғарыда жазылған әдісті қолданып анықтайды (2.4, в, г суреті). Шеттік дислокацияның сызығына Бюргерс векторы перпендикулярлы, ал бұрандалы дислокацияның сызығына параллельді болады. Егер Бюргерс қарамы бірнеше дислокацияны қамтитын болса, онда оның мөлшері жеке дислокациялардың Бюргерс векторының геометриялық қосындысына сәйкес келеді. Бюргерс векторының екінші дәрежесі дислокацияның энергиясын және олардың күштік әсерлесуін сипаттайды.

а, в – нақты кристал жазықтығының сұлбасы; б, г – шүбәсіз кристал жазықтығының сұлбасы 2.4 – сурет. Шеттік (а, б) және бұрандалы (в, г) дислакациялар үшін Бюргерс векторын анықтау сұлбасы

Дислокациялар металдардың кристалдану процесінде вакансиялар тобы «жабылған» кезде және илемді деформациялар мен фазалық айналымдар процестерінде пайда болады. Дислокациялық құрылымның маңызды сипаттамасы болып осы дислокациялардың тығыздығы есепетеледі. Дислокациялардың тығыздығы ретінде 1 см³ көлеміне келетін барлық дислокациялардың қосындысы ұзындығын алады: , см^-2. (2.1)

Іс жүзінде дислокациялардың тығыздығын металлографиялық үлгіліктің бет ауданының бір бөлігіне (мысалы 1см²) келетін дислокациялардың санымен анықтайды.

Металдар мен қорытпалардың барлық техникалық маңызды қасиеттері, дислокациялардың тығыздығына байланысты. Олар поликристалдық материалда жүретін өзгерістердің механизміне, жылдамдығына және бағытына әсер етеді.

Негізгі әдебиеттер: [2] (тарау 1, бет 9 – 42); [4] (тарау 8, бет 43 – 91).

Қосымша әдебиеттер: [5] (тарау 3, бет 106 – 182; тарау 4, бет 183 – 223; тарау 5, бет 223 – 259; тарау 6, бет 259 – 291; тарау 7, бет 300 - 408).

Бақылау сұрақтары:

1. Химиялық ақаулар дегеніміз не? Оларға қандай ақаулар жатады?

2. Физикалық ақаулар дегеніміз не? Оларға қандай ақаулар жатады?

3. Нүктелік ақаулар дегеніміз қандай ақаулар? Оларға қандай ақаулар жатады?

4. Беттік ақаулар дегеніміз қандай ақаулар? Оларға қандай ақаулар жатады?

5. Сызықтық ақаулар дегеніміз қандай ақаулар? Оларға қандай ақаулар жатады?

6. Көлемдік ақаулар дегеніміз қандай ақаулар? Оларға қандай ақаулар жатады?

7. Шеттік дислокациялар деп қандай ақауды айтады?

8. Бұрандалы дислокациялар деп қандай ақауды айтады?

9. Араласдислокациялар деп қандай ақауды айтады?

10. Бюргерс векторын қалай анықтайды?

№3 дәріс. Металдың илемді деформациясы.

Сыртқы күш кернеуі металдың ағу шегінен артық болса, онда күш кернеуі мен деформация дәрежесінің арасында пропорционалдық бұзылады (Гук заңы орындалмайды). Металл илемді деформацияға ұшырайды. Сыртқы күштің әсерін тоқтатқанда металдың түрінің, өлшемдерінің және құрлысы мен қасиеттерінің өзгерістері түгелімен жойылмайды. Металл деформацияға дейінгі күйіне қайтып оралмайды, яғни металда қалдық деформация қалады.

Металдарда илемді деформация екі түрлі механизмнің көмегімен жүреді. Жоғарғы (балқу температурасына жақын) температурада және сыртқы әсер етуші күш аз болғанда илемді деформация диффузиялық механизмнің көмегімен жүреді. Мұндай жоғары температурада атомдардың өзіндік диффузиясы сыртқы әсер етуші күш кернеуінің бағытында жүреді. Сондықтан созушы күштің әсерінен металл үлгіліктің ұзындығы артады да, оның көлденең қимасының ауданы азаяды. Диффузиялық илемді деформация тұрақты, шамасы жағынан үлкен емес (аз уақытта әсер еткенде илемді деформация тудырмайтын) сыртқы күш кернеуінің әсер етуімен жүзеге асады. Диффузиялық илемді деформация өте баяу жүреді.

Илемді деформацияның екінші механизімі болып, сыртқы күштің әсерімен кристалдың жеке бөліктерінің басқаларына қарағанда тұтас, реттеле сырғуы есептеледі. Мұндай сырғу деформациясы сырқы күш әсер ете бастағанда тез орын алады. Ол төменгі және жоғарғы температураларда бірдей жүреді.

Илемді деформация кезінде металдың құрылысы мен қасиеттерінің өзгеруі дислокациялық теорияның көмегімен түсіндіріледі. Дислокациялық теория, алғашқы уақытта металдардың деформациясы мен беріктігін зерттегенде межелік бөлуші кернеулердің теориялық және тәжірибелік мәндерінің бірдей болмауын және деформация кезінде металдың беріктігінің арту себептерін түсіндіру үшін ұсынылған (сырғудың басталуына жеткілікті ең үлкен жанама күш кернеуін межелік бөлуші кернеу деп атайды). Теориялық межелік бөлуші кернеуді анықтағанда, сырғу жазықтығының екі жағында орналысқан барлық атомдардың арасындағы кулоуындық байланыс бірдей үзіліп, кристалдың екі бөлігі тұтас сырғиды деп есептейді. Тұтастай сырғу үшін анықталған теориялық бөлуші кернеудің мәні көптеген басқа материалдар үшін де, оның тәжірибелік мәнінен 10² ÷ 10⁴ еседей артық болады.

Дислокациялық теорияда, техникалық металдардағы межелік бөлуші күш кернеулердің және беріктіктердің тәжірибелік мәндерінің аса жоғары болмауын түсіндіру үшін мына төмендегідей болжам жасалған: кез-келген кристалдық затта ерекше сызықтық ақаулар, яғни дислокациялар бар. Сыртқы күш әсер еткенде дислокациялар қозғала бастайды. Соның нәтижесінде деформация әр түрлі атомдық жазықтықтардың бойымен біртіндеп жүзеге аса бастайды. Дислокациялардың жылжуына аса үлкен күш кернеуінің керегі жоқ. Өйткені, деформация кезінде сырғу жазықтығының екі жағында орналасқан атомдар арасындаға кулоуындық байланыс бірден түгел үзілмейді. Тек сырғудың әрбір элементар актісінде дислокациялардың төңірегіндегі азғана атомдарың арасындағы байланыстар үзіліп, дислокациялар бір атомарлық қашықтыққа орын ауыстырып отырады. Дислокациялардың мұндай жылжуына қажетті жанама күш кернеуі, әрбір сырғу жазығына тән межелік бөлуші күш кернеуіне тең болуы қажет.

Сонымен илемді деформация сырғумен және егізделумен жүзеге асады.

Кубтық құрылымы бар металға жанама кернеуді түсіргенде пайда болатын серпімді және илемді деформацияның сұлбасы 3.1 суретте көрсетілген.

а – бастапқы кристалл; б – серпімді деформация; в – серпімділік шегінен үлкен күшті түсірген кезде серпімділік деформациясының үлкеюі және сырғумен іске асырылатын илемді деформацияның пайда болуы; г – ығысудың пайда болуын тудыратын кернеу (ығысудан кейін қалдық деформация сақталды); д – егізделудің пайда болуы

3.1 – сурет. Ығысу кернеуінің τ әсерінен пайда болатын металдың серпімді және илемді деформациясының сұлбасы

 

Кристалдық торда сырғу атомдарды ең тығыз байланған жазықтық пен бағыт бойынша жүреді. Өйткені, тығыз байланған көршілес атамдық жазықтардың арасындағы ара қашықтық ең үлкен, яғни олардың арасындағы байланыс ең кішкентай болғандықтан, осы жазықтықтардың өзінде ығысуға кедергінің мөлшері ең кішкентай болады.

Айтылған жазықтықтарды жататын сырғу жазықтығы мен сырғу бағыты сырғу жүйесін құрады. Металдарда бір немесе бірнеше сырғу жүйесі бір мезгілде әсер етуі мүмкін.

Бетке центрленген куб торы бар металдарда (Fe_v, Си, А1 және тағы басқа) сырғу октаэдлік жазықтықтар (111) және куб қабырғасының диагоналі бағыты [110] бойынша жүреді, ал көлемге центрленген куб торы бар металдарда (Fe_α, Mo, V және тағы басқа) сырғу (110), (112) және (123) жазықтығы бойынша кубтың кеңістіктік диогоналі бағытымен [111] жеңіл іске асады. ГТТ торы бар металдарда (Zn, Be, Mg және тағы басқа) сырғу [0001] жазықтығымен жүреді.

Металда сырғу мүмкін болатын жазықтық пен бағыт көп болған сайын, ода илемді деформацияның пайда болу мүмкіншілігі жоғарлайды. Кубтық кристалдық торы бар металдар жоғары илемділік қасиетке ие болған, өйткені оларда сырғу көптеген бағыттармен жүреді. Кубтық торы бар металдармен салыстырғанда ГТТ құрылымы бар металдарда илемділік қасиет төмен, сондықтан қалыптауға, ұсталық соғуға және деформацияның басқа түрлеріне қиын беріледі.

Сырғу кристалда дислакацияның қозғалуының нәтижесінде іске асады (3.2 сурет). Сырғу жазықтығының бойындағы нұсқау көрсетілген бағытпен жанама кернеулер әсер еткенде, дислакация өзегі жанындағы атомдар атам аралық қашықтықтан едәуір кішкентай ара қашықтыққа қозғалады (1 → 2; 3 → 4; 5 → 6; 7 → 8; 9 → 10; 11 → 12; 13 → 14; 15 → 16; 17 → 18).

Атомдар тек сызу жазықтығында ғана қозғалмайды, ал тағы да осы жазықтыққа паралельді барлық атомдық қабаттарда да қозғалыс жасайды. Дислакацияның қозғалуы еңбектеу жолымен де жүруі мүмкін. Еңбектеу деп түйін аралық атомдар немесе вакансияларды өзіне қосу себебінен дислокациялық сызықтардың немесе оның бөлімдерінің диффузиялық ығысуын айтады.

 

а – дислакацияның орналасу сұлбасы; б – д – дислакацияның қозғалуының және оның бетке шығуының кезеңдері; τ – ығысу кернеуі; М – М – ығысу жазықтығы 3.2 – сурет. Кристалл бетінде бірлік ығысу баспалдағын пайда болғызуға алып келетін шеттік дислокацияның қозғалуы

Бүкіл кристалл арқылы ығысу жазықтығы ММ-мен дислакацияның қозғалуы, кристалдың сәйкесті бөлімдерін бір жазықтықтар арасы ара қашықтығына қозғалтуға алып келеді (3.2, а сурет). Осы кезде кристалл бетінің оң жағында баспалдақ пайда болады. Кристалдану процесінде пайда болған дислакацияның қозғалуы шектелген екендігін ескеру қажет. Илемді деформация процесінде, осы дислокациялардың қозғалуы көп жаңа дислакацияларды пайда болғызуға немесе дислокацияларды көбейтуге алып келетіндіктен, үлкен деформация мүмкін болатындығын ұмытпау қажет.

Дислакация келесі механизммен пайда болады. А және А ₁ нүктелерінде бекітілген дислакация, 3.3 суретінде көрсетілгендей жанама кернеудің әсерінен қозғалады. Қозғалған кезде дислокация сызығы ұлғайып дислакациялық сақинаға айналып кетеді. Осы кезде шиыршықтың екі шеткі жағы тұтасып бастапқы күйдегі А – А ₁ дислакациясын қайтадан береді. Осыдан кейін кернеудің әсерінен процесс қайтадан басталып дислакация сызығы ұлғайады, содан соң дислакация бастапқы жайға қайтадан оралады.

3.3 – сурет. Дислокацияның қозғалуының I – V сатысы

Дислакацияның пайда болу көзінің жұмыс істеуі басталу үшін дислокацияға мынандай кернеуді түсіру қажет: τ = Gb / L, мұндағы L – дислакация бекітілген А және A ₁ нүктелері арасындағы ара қашықтық; G – ығысқан кездегі серпімділік модулі; b – Бюргерс векторы.

Егер кернеу τ әсер ете берсе, онда бір көзден жүздеген дислокация пайда болуы мүмкін және көздің әсер етуі, үлкейіп келе жатқан дислокациялық тұзақ жолында кедергі (дислакацияның жаңа жүйесі, артық фазаның бөлшектері, түйіршік шекаралары және т. б.) пайда болғанша тоқтамайды.

Бастапқы сатыда монокристалдың илемді деформациясы бір жазықтықтар жүйесі бойынша дислакацияның қозғалуымен іске асады (жеңіл сырғу сатысы). Осы сатыда дислакация салыстырмалы кедергісіз үлкен ара қашықтыққа қозғалады және қозғалған кезде әсер ететін кернеуді едәуір өсірмей дамушы деформация қамтамасыз етіледі (деформациялық беріктенудің бірінші сатысы). Жеңіл сырғанау сатысынан кейін көптеген сырғу сатысы басталады, яғни екі және одан да көп жүйеде дислокацияның қозғалуы жүреді. Осы сатыда едәуір деформациядан кейін металдың дислокациялық құрылымы едәуір күрделенеді және бастапқы күймен салыстырғанда дислакация тығыздығы 4 ÷ 6 ретке дейін үлкейіп, осы тығыздық 10¹¹ ÷ 10¹² см^-2 жетеді.

Егіздену. К12 және Г12 тығыз байланған торы бар кейбір металдың илемді деформациясы сырғумен бірге егізделумен іске асасады. Егізделу деп егіздену жазықтығы деп аталатын жазықтыққа қатысты симметриялық жайға кристалдың бірінші бөлімі мен екінші бөлімін қайта бағытталуға алып келетін илемді деформацияны айтады (3.1, д суретті қараңыз). Егізделу сырғу сияқты дислакацияның кристалл арқылы толық өтуімен қошталады. Сырғумен салыстыра отырып егізделуге үлкен мәнді бермейді. Өйткені бетке центрленген куб және көлемге центрленген куб торы бар металдарда егізделу тек төменгі температурадағы үлкен деформация дәрежесінде байқалады.

Илемді деформация кезінде поликристалды металдың құрылымының өзгеруі.

Бастапқы кезде микроскоп астында, алдын ала жылтыратылған және деформацияланған үлгілікте түзу сызық түріндегі сырғу ізін байқауға болады. Осы сызықтар жеке түйіршіктер шегінде бірдей бағытталған.

Деформация үлкейген кезде сырғу процестері нәтижесінде түйіршіктер (кристаллиттер) өздерінің пішіндерін өзгертеді. Деформация алдында түйіршіктерде дөңгелек пішін бар болса (3.4, а сурет), онда олар деформациядан кейін сырғу жазықтығы бойынша ығысып, осы ығысу нәтижесінде әсер ететін күш Р -ның бағытында созылып талшықтық және қабаттық құрылымды құрады (3.4, б сурет). Түйіршіктердің пішіні өзгерумен бірге, оның ішінде субтүйіршіктер пайда болады және осы субтүйіршіктер арасындағы бағыттық бұрыштар үлкейеді.

Поликристалдық металдың қақталмасы. Суықтай деформацияның (0,15 ÷ 0,2 Т _пл) дәрежесін үлкейткен кезде деформацияның кедергісін сипаттайтын қасиеттер (σ_в, σ_0,2, НВ және т. б.) жоғарлайды, ал илемді деформацияға икемділікті яғни илемділікті сипаттайтын қасиеттер (ψ және δ) азайады. Осы құбылыс қақталма деген атты алды.

Илемді деформация процесінде металдың беріктенуін (қақталуын) кристалдық құрылымның ақауларының, яғни дислокациялардың, ваканциялардың, түйін аралық атомдардың саның өсуімен түсіндіріге болады.

а – деформацияға дейінгі металдың сұлбасы және микроқұрылымы (× 150); б – деформациядан кейінгі металдың сұлбасы және микроқұрылымы (× 150) 3.4 – сурет. Сырғу нәтижесінде темірдің түйіршіктерінің пішінің өзгеруі. Сызықша сызықпен деформацияланған түйіршіктердің шекарасы көрсетілген

Кристалдық құрылымдағы ақаулардың орналасу тығыздығының үлкеюі жаңа жеке дислокациялардың қозғалуын қиындатады, демек деформацияға кедергіні үлкейтеді және илемділікті азайтады. Үлкен мәнді дислакацияның орналасу тығыздығының үлкеюі алады. Өйткені дислокациялардың арасында пайда болатын әсерлесу, олардың қозғалуын қиындатады. Ығысу кернеуі τ дислокация тығыздығының ρ квадратты түбіріне байланысты пропорциональды өседі, яғни τ = τ_о + abG , мұндағы τ_o – деформацияға дейінгі ығысу кернеуі; b – Бюргерс векторы; а – тор типінен және қоспа құрамынан тәуелді болатын коэффициент.