Физика конденсированного состояния. Дефекты строения в металлах

 
 
 
 
 
 
 
 
ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО 
СОСТОЯНИЯ 
 
ДЕФЕКТЫ СТРОЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ 
 
 
Учебник 
 
 
Под редакцией д-ра техн. наук А. Н. Чуканова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 621.7 
ББК 34.5 
 
Ф48 
 
А в т о р ы :  
А. Н. Чуканов, Н. Н. Сергеев, А. Е. Гвоздев, А. Н. Сергеев, 
П. Н. Медведев, Ю. С. Дорохин, С. Н. Кутепов, 
А. А. Яковенко, Д. В. Малий 
 
Р е ц е н з е н т ы :  
доктор технических наук, профессор кафедры физики В. В. Жигунов  
(Тульский государственный университет); 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой 
общетеоретических дисциплин для иностранных учащихся И. М. Лагун 
(Тульский государственный университет) 
 
 
 
 
Ф48  
 
Физика конденсированного состояния. Дефекты строения  
в металлах : учебник / [А. Н. Чуканов и др.] ; под ред. д-ра техн. наук  
А. Н. Чуканова.  Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021.  300 с.  
 
 
ISBN 978-5-9729-0703-8 
 
Представлено описание современных представлений о дефектах кристаллической структуры, существенно влияющих на прочность и пластичность твердых тел. Дана краткая историография науки о прочности и пластичности. Описана роль внутреннего строения (типа кристаллической решетки, характера межатомного взаимодействия) в формировании прочности 
кристаллических твердых тел. Рассматриваются геометрические и энергетические характеристики, атомная структура точечных, линейных, поверхностных и объемных дефектов кристаллического строения. 
Для студентов машиностроительных направлений подготовки. Может 
быть полезно научно-исследовательским работникам, а также сотрудникам 
металлургической отрасли и проектных организаций. 
 
 
 
УДК 621.7 
 
 
 
ББК 34.5 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0703-8  
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
 
 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................. 
6
1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ ......... 
9
1.1. Кристаллографическая структура и прочность материалов .................... 
9
1.1.1. Основные исторические этапы формирования представлений  
о прочности и пластичности ................................................................ 9
1.1.2. Понятия прочности и пластичности .................................................. 12
1.1.3. Работоспособность материала в конструкции.  
Основные свойства конструкционных материалов ......................... 17
1.1.4. Конструктивная прочность и ее критерии ........................................ 17
1.1.5. Методы повышения конструктивной прочности 
............................. 19
1.1.6. Типы межатомных связей в твердых телах ...................................... 20
1.1.7. Кристаллическая структура металлов ............................................... 23
1.1.8. Контрольные вопросы и задания ....................................................... 26
1.2. Точечные дефекты и их комплексы 
.......................................................... 
28
1.2.1. Типы точечных дефектов 
.................................................................... 30
1.2.2. Искажения кристаллической решетки вокруг  
точечных дефектов .............................................................................. 33
1.2.3. Термодинамика точечных дефектов 
.................................................. 35
1.2.4. Миграция вакансий и вакансионных комплексов 
............................ 37
1.2.5. Распределение и миграция междоузельных атомов  
и их комплексов 
................................................................................... 42
1.2.6. Комплексы примесных атомов с вакансией и междоузлием и их 
миграция ............................................................................................... 47
1.2.7. Способы введения неравновесной концентрации точечных 
дефектов ............................................................................................... 51
1.2.8. Определение концентрации вакансий и энергии  
и их образования 
.................................................................................. 54
1.2.9. Отжиг точечных дефектов в облученных металлах ........................ 58
1.2.10. Контрольные вопросы и задания ..................................................... 62
1.3. Темы докладов для семинарских занятий 
................................................ 
64
2. ЛИНЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ....... 
66
2.1. Кристаллография пластической деформации 
.......................................... 
66
2.1.1. Теоретическая прочность на сдвиг .................................................... 73
2.2. Основные типы дислокации, их свойства и методы наблюдения 
......... 
76
2.2.1. Контур и вектор Бюргерса 
.................................................................. 85
2.2.2. Экспериментальные наблюдения дислокаций ................................. 88
3 

2.2.3. Плотность дислокаций ........................................................................ 95
2.2.4. Контрольные вопросы и задания ....................................................... 96
2.3. Упругие свойства и взаимодействие дислокаций ................................. 
100
2.3.1. Напряженное состояние вокруг дислокации .................................. 100
2.3.2. Энергия дислокаций .......................................................................... 104
2.3.3. Силы, действующие на дислокацию ............................................... 106
2.3.4. Упругое взаимодействие между дислокациями 
............................. 110
2.3.5. Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами 
.................. 114
2.3.6. Контрольные вопросы и задания ..................................................... 122
2.4. Дислокации в металлах с различной кристаллической структурой ... 
126
2.4.1. Полные и частичные дислокации .................................................... 126
2.4.2. Частичные дислокации как границы дефектов упаковки ............. 127
2.4.3. Условия дислокационных реакций 
.................................................. 134
2.4.4. Типичные дислокации в кристаллах с ГЦК-решеткой 
.................. 135
2.4.5. Типичные дислокации в ГПУ-кристаллах ...................................... 145
2.4.6. Типичные дислокации в ОЦК-кристаллах 
...................................... 149
2.4.7. Контрольные вопросы и задания ..................................................... 157
2.5. Дисклинации ............................................................................................. 
161
2.5.1. Дисклинации в непрерывной упругой среде .................................. 161
2.5.2. Дисклинации в кристаллической решетке 
...................................... 164
2.5.3. Контрольные вопросы и задания ..................................................... 168
2.6. Темы докладов для семинарских занятий 
.............................................. 
169
3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ И ОБЪЁМНЫЕ ДЕФЕКТЫ 
КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ......................................................... 
170
3.1. Типы и строение поверхностных дефектов в металлах ....................... 
170
3.1.1. Типы поверхностных дефектов кристаллического строения ....... 170
3.1.2. Геометрия границ и субграниц ........................................................ 171
3.1.3. Основные типы дислокационных границ ....................................... 176
3.1.3.1. Наклонные дислокационные границы ................................. 177
3.1.3.2. Границы кручения .................................................................. 180
3.1.3.3. Дислокационные стенки ........................................................ 181
3.1.3.4. Двойниковые границы ........................................................... 182
3.1.3.5. Антифазные границы в упорядоченных сплавах 
................ 184
3.1.4. Движение дислокационных границ зерен 
....................................... 185
3.1.5. Специальные и произвольные границы .......................................... 186
3.1.6. Зернограничные дислокации 
............................................................ 190
3.1.7. Поверхности между фазами ............................................................. 196
3.1.8. Энергия дислокационных границ зерен 
.......................................... 197
3.1.9. Контрольные вопросы и задания ..................................................... 200
4 

3.2. Природа и морфология объёмных дефектов в твёрдых телах 
............. 
203
3.2.1. Поры как фазово-структурные неоднородности твердого тела ... 204
3.2.2. Морфологические характеристики пор 
........................................... 209
3.2.2.1. Типы пор и модели пористых систем .................................. 209
3.2.2.2. Факторы, определяющие форму пор 
.................................... 210
3.2.2.3. Распределения и классификации пор по размерам 
............. 218
3.2.3. Фазовые состояния и принципы термодинамики  
пористых систем 
................................................................................ 223
3.2.4. Контрольные вопросы и задания ..................................................... 224
3.3. Влияние пористости на свойства твёрдых тел ...................................... 
225
3.3.1. Влияние пористости на физико-механические свойства .............. 225
3.3.1.1. Роль пор при сверхпластическом течении (СПТ) 
материалов ............................................................................... 232
3.3.1.2. Влияние залечивания микронесплошностей на 
долговечность и модуль упругости материалов .................. 234
3.3.2. Пористость и физико-химические свойства ................................... 239
3.3.2.1. Роль пор в процессах сорбции и катализа ........................... 239
3.4. Деформационная повреждаемость и кинетика разрушения ................ 
241
3.4.1. Классификация деформационных микронесплошностей ............. 241
3.4.2. Зародышевые микронесплошности ................................................. 243
3.4.3. Общие представления о влиянии несплошностей на кинетику 
разрушения 
......................................................................................... 253
3.4.4. Распределение несплошностей по размерам и их вклад в 
деформационное разуплотнение 
...................................................... 257
3.4.5. Кинетика накопления и развития несплошностей  
при разрушении в области умеренных температур ....................... 261
3.4.5.1. Вязкое состояние .................................................................... 261
3.4.5.2. Квазихрупкое состояние 
........................................................ 267
3.4.5.3. Стадийность и механизмы микроразрушения 
..................... 270
3.4.6. Контрольные вопросы и задания ..................................................... 278
ЛИТЕРАТУРА 
.................................................................................................... 
280
5 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Представления о прочности и пластичности твердых тел являются одними 
из древнейших и насчитывают уже не одно тысячелетие. Однако, лишь в последнее столетие удалось создать научные основы прочности и пластичности 
кристаллических материалов, рассчитать и экспериментально подтвердить 
теоретическую прочность кристаллов, создать теории и модели на атомном 
уровне элементарных дефектов кристаллической решетки, объяснить причины 
малой прочности реальных макрокристаллов, установить взаимосвязь между 
прочностью и типом, количеством и объемным распределением дефектов решетки, определить пути создания высокопрочных структур. 
Революционным для развития физики прочности и пластичности кристаллических тел, кристаллофизики и вообще физики твердого тела стало введение 
в 30-х годах XX века представлений, а затем и создание теории дислокаций как 
элементарных носителей пластичности в реальных кристаллах. 
Понятие «реальный кристалл» чрезвычайно широко. При малой концентрации структурных несовершенств реальный кристалл в пределе переходит  
в идеальный, приобретая качественно новые свойства. При большом содержании дефектов реальный кристалл в пределе приобретает аморфную структуру 
и свойства, характерные для аморфного состояния. Воздействие на реальную 
структуру твердых тел является одним из способов управления их свойствами. 
Например, в зависимости от концентрации точечных дефектов коэффициент 
диффузии в металлах может меняться на семь порядков, в таком же диапазоне 
меняется электропроводность полупроводника.  
Исходя из этого, основное внимание в первом разделе данного учебника 
уделено физическим основам прочности и пластичности кристаллических 
твердых тел, а также роли точечных дефектов в их формировании. 
Техническая прочность твердых тел отличается от теоретической (предельной) на три-четыре порядка. Исключив возможность влияния несовершенств, можно реализовать теоретическую прочность. Каждому понятно, 
насколько это важно для практических целей. 
Предметом изучения предлагаемого в данном учебнике курса «Физики конденсированного состояния» являются кристаллофизические основы формирования важнейших из эксплуатационных свойств твердых тел – прочности и пластичности. Наличие и развитость указанных свойств прямо связаны с прочностью 
межатомных и межмолекулярных связей, то есть силами этих связей. Преодоление их при внешних воздействиях на материал вплоть до разрушения и определяет прочность как самого материала, так и изделий из него. Вследствие максимальной величины сил межатомного взаимодействия в кристаллических твердых 
телах практически отсутствует относительно свободное движение атомов и молекул, существующее в газах, жидкостях, растворах, полимерах и стеклах.  
Вначале необходимо определить, что несет в себе понятие «прочность». 
О какой прочности (или прочности чего, какого объекта) будет идти речь.  
6 

Это тем более важно, что в дальнейшем на базе науки о прочности возникает 
целая область физического материаловедения, призванная создать физические 
основы «высокопрочного состояния» материала и научить инженеров-практиков изготавливать материалы с заданной и контролируемой в процессе эксплуатации прочностью (физика программного упрочнения). 
Среди дефектов строения особую роль в физике твердого тела и физическом материаловедении играют линейные дефекты – дислокации.  
Во втором разделе учебника описаны основные типы и свойства дислокаций, элементы теории дислокаций. В теории прочности и пластичности реальных кристаллов дислокации играют примерно такую же роль, как электроны  
в теории металлов. Дислокации являются элементарными носителями пластической (сдвиговой) деформации кристаллов.  
Долгое время существование дислокаций являлось чисто формальным понятием. Лишь начиная с 50-х годов XX века методами прямого наблюдения 
(электронной микроскопией) удалось осуществить непосредственное наблюдение и изучение динамики дислокаций. 
Исследование структуры и свойств дислокаций, их поведения в кристаллах при различных видах внешнего воздействия дало объяснение многим физическим явлениям. Только с появлением теории дислокаций стало возможным понять природу пластической деформации, причины малой прочности реальных дефектных кристаллов, определить пути повышения прочности кристаллических тел, разработать способы создания материалов с заданным комплексом физико-механических свойств. 
В третьем разделе учебника описаны основные типы и свойства поверхностных дефектов, а также элементы теорий их влияния на формирование 
свойств металлов и их эволюция в условиях внешних воздействий. 
Поверхностные дефекты (дефекты упаковки, мало- и высокоугловые границы зерен и субзерен, двойники) с одной стороны, активно противодействуют 
перемещению дислокаций и точечных дефектов, а, с другой – приводят к специфическим проявлениям пластического течения. 
Исследование структуры и свойств поверхностных дефектов, их поведения в кристаллах при различных видах внешнего воздействия дало объяснение 
многим физическим явлениям. С появлением теории дислокаций стало возможным описать внутреннее строение поверхностных дефектов и их роль  
в упрочнении и протекании пластической деформации.  
Оценка вклада поверхностных дефектов строения в указанные процессы 
определила пути повышения прочности кристаллических тел и разработку способов создания материалов с заданным комплексом физико-механических 
свойств. 
Использована методологическая концепция рассмотрения объёмных дефектов как фазово-структурных неоднородностей твердого тела, их происхождения, морфологии, фазовых состояний, принципов термодинамики и возможности диаграммного представления пористых систем. Рассмотрены механизмы 
7 

и кинетика процессов образования пор конденсационного, кристаллизационного, диффузионного, деформационного происхождения, характер их поведения в условиях многофакторных внешних воздействий, возможности залечивания пор для повышения ресурса работоспособности конструкционных материалов.  
 
8 

1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ
И ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ 
1.1. Кристаллографическая структура и прочность материалов 
1.1.1. Основные исторические этапы формирования представлений 
о прочности и пластичности 
Для ответа на вопросы о смысле понятий «прочность» и «пластичность» 
придется вернуться на 90–100 лет назад к истокам физики прочности и пластичности. Вот как описал это Лев Иосифович Миркин в своей монографии 
«Физические основы прочности и пластичности». «… В 30-е годы двадцатого 
века в различных странах крупные ученые стараются ответить на вопрос  
о том, почему твердые тела имеют разную прочность и как эта прочность  
связана со структурой (расположением атомов). Многолетними усилиями  
инженеров-металлургов и машиностроителей уже накоплен колоссальный материал о механических свойствах металлов, хорошо известно, как надо деформировать или закаливать сталь для получения высоких механических характеристик, неизвестно только, почему именно такая обработка дает данные механические свойства. Бурно развивается рентгеноструктурный анализ. В работах 
Г. С. Жданова, Г. В. Курдюмова, Я. С. Уманского в нашей стране, в работах 
многих зарубежных ученых установлено, каково расположение атомов практически во всех технических материалах и как оно меняется при фазовых превращениях. 
В. И. Ивероновой, Б. М. Ровинским, Ю. С. Терминасовым установлены 
основные зависимости изменения рентгенограмм кристаллов при различных 
видах пластической деформации. 
Из океана экспериментальных фактов уже можно выделить основные особенности пластической деформации кристаллов, в частности то, что сдвиг кристалла при деформации напоминает сдвиг колоды карт, на поверхности кристалла возникают рельефные линии скольжения, вдоль которых материал 
сдвигается без нарушения сплошности. Если известна кристаллическая структура материала, то нетрудно подсчитать напряжение, необходимое для сдвига 
в нем вдоль полосы скольжения, то есть для пластической деформации. Изменение параметров модели (например, изменение принятого вида зависимости 
сил межатомного взаимодействия от расстояния между атомами) не приводят 
к существенному изменению этой величины. 
Расчет теоретической величины предела текучести изящен, он очень прост 
и не требует знания математики, превышающего программу средней школы, его 
вполне можно было бы положить в основу инженерных расчетов прочности материалов, если бы не одно обстоятельство. Теоретическая величина предела текучести для металла в этом случае составляет около 1000 кг/мм2 (9821 МПа),  
а экспериментальные величины, измеренные на многих кристаллах сотнями исследователей, имеют порядок 0,1 кг/мм2 (0,9821 МПа).  
9 

Конечно, ни о каком практическом применении к инженерным проблемам 
теории, дающей расхождение с экспериментом на четыре порядка, не могло 
быть и речи. 
И тогда, почти одновременно нескольким ученым в разных странах, пришла в голову идея, давшая принципиальное решение вопроса. Решение, как и 
все крупные идеи, было очень простым: вводился дополнительный фактор – 
фактор времени. Утверждалось, что сдвиг в материале происходит не одновременно по всей линии скольжения, а распространяется постепенно. Если это так, 
то в каждый момент времени напряжение должно быть достаточным только для 
прохождения некоторого элементарного сдвига, например, на одно межатомное 
расстояние. Элементарные носители пластичности были названы дислокациями 
(Я. И. Френкель, Дж. Тейлор, Е. Орован) или зацеплениями (А. Кохендорфер). 
Введение понятия дислокаций было революционным не только для физики прочности и пластичности, но и для других областей кристаллофизики, 
так как оно позволило рассматривать не идеальный кристалл с правильным 
расположением атомов, а реальный кристалл, содержащий дефекты (местные 
неправильности в расположении атомов). 
Начало развития строгой теории дислокаций связано с именем Дж. Бюргерса, в честь которого основная характеристика дислокаций названа вектором 
Бюргерса. С этим временем (сороковые годы XX века) связан один из самых 
неожиданных поворотов в теории дислокаций. Когда ученые взялись за создание теории, оказалось… что основы этой теории существуют уже несколько 
десятков лет. В конце девятнадцатого и в начале двадцатого века в Германии и 
Италии работали математики, многое сделавшие для развития математической теории упругости. Г. Вейнгартен, А. Сомиглиана и В. Вольтерра ввели в 
теорию упругости особые виды деформаций, названные «дислокациями», и 
провели строгое решение плоской задачи теории упругости для этих «дислокаций». Окончательные результаты исследований были опубликованы в начале 
двадцатого века в журнале с колоритным названием «Труды академии рысей». 
Теперь читатель подготовлен к тому, чтобы услышать трогательную историю о забытых работах крупных ученых, неожиданно обнаруженных в архивах. Однако ничего подобного не произошло, никто этих работ не забывал, более того во всех классических курсах теории упругости за последние пятьдесят 
лет (например, в книгах А. Лява, Н. И. Мусхелишвили) был параграф, посвященный плоской задаче теории упругости для дислокаций. 
Все дело в узкой специализации ученых: физики и механики, занимавшиеся 
упругостью и пластичностью кристаллов, не понимали друг друга (кстати, нельзя 
с уверенностью утверждать, что они хорошо понимают друг друга сейчас). 
Итак, теория была найдена, атомные модели элементарных дефектов были 
построены, теория дислокаций стала быстро развиваться, осталось немногое: 
доказать, что дислокации – это не выдумка, а реальность, увидеть хотя бы одну 
дислокацию. 
На то, чтобы увидеть дислокации, потребовалось почти двадцать лет работы крупных научных коллективов во многих странах. 
10