Атомы имеют связи только с соседними и нижележащими атомами и находятся в неуравновешенном неустойчивом состоянии. Граничный слой включающий примерно два ряда атомов (0,10 – 1,0 нм) обладающие запасом свободной поверхностной энергией, вследствие чего абсорбирует элементы окружающей среды (газов паров воды и жиров). Адсорбция снижает поверхностное и энергию поверхностных атомов и облегчает развитие деформаций, приводит к возникновению химических соединений. Общая толщина наружной пленки составляет: в стали 1,0…2,0 нм, в железе 1,5…2,5 нм; 1нм (нанометр) = 10-9 м.
Поверхностный слой металла включает наружную поверхность (граничный слой) и слой деформированного металла, отличающегося от основной части (сердцевины) по своим механическим, физическим и химическим свойствам.
Внутренняя часть поверхностного слоя
У металлов (в ненапряженном ионном состоянии) располагаются поликристаллические структуры, состоящие размерами от 0,01 до 1,0 мм, связанных межзеренной прослойкой имеющую искаженную кристаллическую решетку с дислоцированными атомами основного материала и примесей. Прослойка имеет строение с ослабленными силами сцепления и повышенной энергией атомов. Толщина межзеренных слоев составляет около 5…20 атомных слоев.
Мозаичная структура (МС)
Дислокации
При кристаллизации формируется т.н. МС, состоящая из размеров 10-3 - 10-4 мм (т.е. до 100000 тысяч атомных расстояний) неправильной формы, но правильного внутреннего строения. Блоки мозаики состоят из мелких кристаллов. наименьший кристаллит обнаружен рентгеновским методом, имел размер 1,8 нм и состоял из 100 элементарных ячеек, включающих 400 атомов. В одном кубическом миллиметре может находиться до 1012 блоков. В кристаллитах всегда существуют атомы, обладающие энергией превосходящей среднее значение соседних атомов, поэтому они покидают свои места и равновесия, создавая в них пустоты (вакансии). Возникновение вакансий изменяет плотность металла, оно резко возрастает при повышенной температуре или пластической деформации. Точечные дефекты (вакансии, примеси, пустоты и дислоцированные атомы) вызывают существенное влияние на механические, химические, оптические и магнитные свойства металлов.
Дислокации представляет собой более сложный дефект структуры, чем любой из точеных дефектов. Возможные типы несовершенства кристаллической структуры состоят из краевой и винтовой дислокаций. Под краевой дислокацией искажение кристаллической структуры вызвано тем, что в часть объема кристалла введена лишняя атомная плоскость. Винтовая дислокация заключается в новом характере атомных плоскостей. перпендикулярных к дислокации. Все атомы находятся на одной поверхности, эта поверхность является винтовой; она начинается у одного края и кристалла и кончается у другого. Дислокации, как точечные дефекты, могут перемещаться по кристаллической решетке.
Механическая прочность твердых тел зависит главным образом от дислокаций.
Значительные расхождения теоретической и фактической прочности металлов объясняются наличием в реальных поликристаллах различных несовершенств и дефектов кристаллической решетки.
Причина увеличения напряжения состоит в том, что в процессе деформации сильно возрастает количество дислокаций. В результате дислокации начинают хаотически переплетаться друг с другом. Это явление называется наклепом – один из типичных методов получения прочного материала.
