Дефекты кристаллической решетки

Дефекты кристаллической решетки

Процессы деформирования и разрушения твердых кристаллических тел при нагружении изучают с двух позиций:

· макроскопической, связанной с представлением тела в виде области, заполненной непрерывной сплошной средой;

· микроскопической, основанной на представлении о дискретном строении тела (атомы, молекулы).

Анализ процессов деформирования и разрушения твердого тела с микроскопической точки зрения основан на изучении дефектов кристаллической решетки и соответствующих им напряжений, вызванных действием на тело внешних сил. Кристаллические тела вследствие относительно небольших размеров кристаллов состоят из множества кристаллов, а подобное строение называется поликристаллическим. Часто говорят, что поликристаллические материалы при отсутствии преимущественных ориентировок (текстур) статистически изотропны.

В процессе кристаллизации каждый кристалл, пока он окружен жидкостью, часто имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и оказывается зависимой от условий соприкосновения растущих кристаллов. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом агрегате называются зернами или кристаллитами. Различие отдельных зерен заключается в разной пространственной ориентации кристаллической решетки. Однако на практике такое состояние не является единственным. Пластическое деформирование (прокатка, волочение, калибровка и т.д.) приводит к преимущественной ориентировке зерен.

Чтобы классифицировать дефекты кристаллической решетки, необходимо ввести некоторое понятие совершенного кристалла, относительно которого можно определять характерные признаки несовершенств кристаллической решетки.

Совершенным кристаллом называется полностью симметричная бесконечная структура с атомами, размещенными строго в узлах решетки, причем кристалл в целом находится в своем основном квантово-механическом состоянии (при Т=0 К, когда квантово-механическая система имеет наименьший энергетический уровень). При любых нарушениях в расположении атомов или возбуждениях основного состояния говорят о несовершенном кристалле. Характером и степенью нарушения правильности, или совершенства, кристаллического строения в значительной мере определяются свойства кристаллических тел.

Совокупность дефектов решетки и их пространственное рас­п­ре­де­ле­ние в кристалле называют субструктурой кристалла. Несмотря на незначительную концентрацию дефектов решетки, они оказывают на многие структурно-чувствительные свойства существенное, а на некоторые (например, на пластичность) решающее влияние.

Условимся различать бездефектные и дефектные области. Последние можно ограничить поверхностями, проходящими полностью по бездефектным областям. Если такие замкнутые объемы ни в одном из измерений не превышают размеров атомов, то говорят о нуль-мерных, или точечных, дефектах.

Это незанятые узлы решетки – вакансии; неправильно занятые узлы решетки – примесные атомы; атомы, разместившиеся в межатомных промежутках, – межузельные чужие внедренные атомы.

Если размеры дефектной области хотя бы в одном направлении превышают размеры атомов, то говорят об одномерных, или линейных, дефектах решетки, называемых дислокациями.

Имеются также двумерные дефекты решетки: границы зерен, дефекты упаковки, границы двойников.

Дефектную трехмерную область, размеры которой превышают размеры атомов, можно рассматривать как новую фазу.

В общем случае типы дефектов можно классифицировать следующим образом.

Классификация типов дефектов

1. Колебания решетки.

2. Вакансии и внедренные атомы. Незанятый узел решетки называется вакансией (рис.1.10а), а атомы, расположенные между узлами, называются внедренными (рис.1.10в). Число вакансий при нормальной (комнатной) температуре мало по сравнению с общим числом атомов (для металлов примерно 1 вакансия на 10 18 атомов), но сильно увеличивается с повышением температуры, особенно когда она становится близкой к температуре плавления (1 вакансия на10 4 атомов).

Дефекты кристаллической решетки

Рис. 1.10. Схемы точечных дефектов:

а – вакансия; б – замещенный атом; в – внедренный атом

Различают вакансии по Шотки (рис. 1.11а), когда атом после отрыва от своего места в решетке попадает в конечном счете на поверхность кристалла (возможно, и на внутреннюю), и вакансии по Френкелю (рис. 1.11б), когда такой атом остается внутри решетки. Это означает, что одновременно с вакансией по Френкелю всегда образуется межузельный внедренный атом.

Дефекты кристаллической решетки

Рис. 1.11. Схемы дефектов (вакансий) по Шотки (а ) и по Френкелю (б )

3. Примеси. Инородные атомы называются примесью замещения (рис. 1.10б) или примесью внедрения (см. рис. 1.10в) в зависимости от того, занимают они место в узлах решетки или между ними.

Примеси, вакансии и внедренные атомы – это точечные дефекты.

4. Дислокации. Линейные дефекты кристаллической решетки называются дислокациями. Пусть в кристаллической решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость (рис. 1.12).

Дефекты кристаллической решетки

Рис. 1.12. Дислокация в кристаллической решетке

Дислокация — это специфический линейный дефект кристаллической решетки, нарушающий правильное чередование атомных плоскостей.

Идеальный кристалл можно изобразить схематически в виде семейства параллельных атомных плоскостей (рис. 1.13а). Если одна из плоскостей обрывается (рис. 1.13б), ее край образует линейный дефект, называемый краевой дислокацией .

Дефекты кристаллической решетки

Рис. 1.13. Конфигурация атомных плоскостей:

а – идеальный кристалл; б – краевая дислокация; в – винтовая дислокация

На рис. 1.13б показана схематически дислокация другого вида – винтовая. В этом случае ни одна из атомных плоскостей не обрывается внутри кристалла, но сами плоскости лишь приближенно параллельны и смыкаются одна с другой так, что кристалл, содержащий одну винтовую дислокацию, состоит фактически из единственной винтообразной изогнутой атомной плоскости.

В чистых металлах объемная плотность дислокаций (количество дислокаций, содержащихся в 1 см 3 ) имеет порядок 10 6 см -3. Часто используется понятие линейной плотности дислокаций: суммарная длина дислокаций (в см), содержа­щихся в 1 см 3. Для металлов эта величина имеет порядок 10 8. 10 13 см -2 .

5. Беспорядок. Некоторые кристаллы состоят более чем из одного типа атомов, например ионные кристаллы NaCl. В совершенном (полностью симметричном) кристалле каждый узел решетки занят определенным химическим элементом. Если же некоторый химический элемент занимает не соответствующий ему узел решетки, то образуется дефект, который называют беспорядком.

6.Поверхности. Любой реальный кристалл ограничен в пространстве, поэтому структура идеальной решетки у поверхности нарушается и атомы в окрестности поверхности не могут находиться в полностью симметричном положении. Кроме внешних поверхностей кристалл может иметь также внутренние поверхности: границы зерен и дефекты упаковки.

· Граница зерна представляет собой разупорядоченную область, отделяющую решетку с одной ориентацией от решетки с другой ориентацией. Возможна межзеренная граница особого типа, называемая двойником, относительно которой атомы зеркально симметричны друг другу.

· Дефект упаковки связан с нарушением последовательности укладки кристаллических слоев, т.е. с отсутствием какого-либо одного слоя атомов в кристалле. Дефект упаковки представляет собой поверхность нерегулярности в кристалле, в окрестности которого изменяется тип межатомной связи.

7. Электронные дефекты. При выводе системы из основного квантово-механического состояния (при возбуждении каких-либо атомов кристалла) все атомы могут располагаться так же, как в совершенном кристалле. Тем не менее вследствие электронного возбуждения атомов кристаллическая решетка не будет совершенной. Например, в кристалле-изоляторе такими несовершенствами являются электроны проводимости.

Приведенная классификация дефектов кристаллической решетки позволяет перейти к описанию строения зерен, совокупность которых составляет макроструктуру любого реального кристаллического тела. Зерно не является монолитным кристаллом, построенным из строго параллельных атомных слоев. В действительности оно состоит из мозаики отдельных блоков размерами 10 -7

10 -5 м, кристаллографические плоскости которых повернуты относительно друг друга на небольшой угол, примерно равный нескольким минутам. Такое строение зерна носит название мозаичной структуры, а составляющие ее блоки называются блоками мозаики. Так как разориентировка блоков невелика, то их сочленение друг с другом с сохранением правильной, хотя и искаженной, кристаллической структуры происходит посредством дислокаций. Часто блоки объединяются в более крупные агрегаты – фрагменты. Каждый фрагмент содержит большое количество блоков. Фрагменты, в свою очередь, разориентированы относительно друг друга на угол в несколько градусов, а промежутки между их границами содержат различные точечные, линейные и поверхностные дефекты. Такая трехступенчатая структура необязательна. В ряде случаев зерна могут состоять из фрагментов без внутренней блочной структуры или только из блоков.

Между зернами, угол разориентировки которых составляет более 5°, имеется пограничный слой, с сильно искажённой структурой и высокой концентрацией атомно-кристаллических дефектов. Таким образом, реальный кристалл содержит атомно-кристаллические (вакансии, дислокации и др.) и структурные (блоки, фрагменты) несовершенства.

5.189.137.82 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

Поверхностные дефекты кристаллической решетки.

Для определения индексов кристаллографической плоскости необходимо:

  • установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки;
  • взять обратные значения этих величин; (привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел.)

Полученные значения простых целых чисел, являются индексами Миллера. Они характеризуют расположение атомных плоскостей в кристалле. Индекс по оси показывает. на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Для плоскости, указываются в круглых скобках. Плоскости, параллельные оси, имеют по ней индекс 0 .

Если плоскость параллельна двум осям координат,например y и z,то отрезки отсекаемые на осях будут: 1;∞; ∞;. а обратные величины это: 1/1; 1/∞;1/∞;. то индексы Миллера имеют вид (1,0,0)

Если плоскость параллельна одной оси координат, то отрезки будут (1;∞;1), соответствовать индексам Миллера (1,0,1)

Если плоскость отсекает отрезки на каждой оси, то (1,1,1) (октаэдр)

Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо:

  • одну точку направления совместить с началом координат;
  • установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки;
  • привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целых чисел.

Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобках [111].

Дефекты кристаллического строения.

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Классифицируются дефекты по их измерениям в пространстве:
— точечные – малые во всех трех измерениях;
— линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;
— поверхностные – малые в одном измерении.

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей (рис. 2.2).

Дефекты кристаллической решетки

Рис.2.2 Точечные дефекты

а) – вакансия, б) – межузельный атом, в) – чужеродный атом.

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин.

Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д.), в результате пластической деформации.

Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии . Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Дефекты кристаллической решетки Дефекты кристаллической решетки а) дефектШоттки -атом выходит на поверхность

кристалла, и образующаяся вакансия

мигрирует (перемещается) в глубь кристалла.

рис. 2.3 а) б) б) дефект Френкеля — два дефекта – вакансия и

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Линейные дефекты (дислокации) – это цепочки атомов одной плоскости, сдвинутые относительно другой плоскости.

Простейшие виды дислокаций – краевые (Тейлора) и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 1.4).

Неполная плоскость называется экстраплоскостью .

Рис. 2.4. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма.

Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу. Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 1.5).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная ( ). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.

Рис. 2.5. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация.

Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF. На поверхности кристалла образуется ступенька, [проходящая от точки Е до края кристалла.] Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту [в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.]

Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.

Рис. 2.6. Механизм образования винтовой дислокации.

Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций .
Плотность дислокаций в кристалле определяется как суммарная длина линий дислокаций в объеме1 м 3. Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала.

Движение дислокаций под действием касательных напряжений называется скольжением. Под действием одних и тех же сдвигающих напряжений дислокации разных знаков движутся в прямо противоположных направлениях.

Поверхностные дефекты кристаллической решетки.

К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен.

Объёмные дефекты кристаллической решетки.
К объёмным, или трехмерным дефектам кристаллической решетки относятся трещины и поры. Наличие трещин резко снижает прочность как материалов на металлической основе, так и неметаллических материалов. Это связано с тем, что острые края трещин являются концентраторами напряжений.Позволяют найти их рентгеном, ультразвуком.

Вывод:все виды дефектов в не зависимости от причины их возникновения приводят к нарушению равновесного состояния решетки и увеличивают ее внутреннюю энергию.

© 2015-2017 lektsii.org.

Дефекты кристаллических решеток

Идеальных кристаллов, в которых все атомы находились бы в положениях с минимальной энергией, практически не существует. Отклонения от идеальной решетки могут быть временными и постоянными. Временные отклонения возникают при воздействии на кристалл механических, тепловых и электромагнитных колебаний, при прохождении через кристалл потока быстрых частиц и т. д. К постоянным несовершенствам относятся:

• точечные дефекты (межузельныс атомы, вакансии, примеси). Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, их размеры по всем направлениям не больше нескольких атомных диаметров;

• линейные дефекты (дислокации, цепочки вакансий и меж-узельных атомов). Линейные дефекты имеют атомные размеры в двух измерениях, а в третьем — они значительно больше размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла;

• плоские, или поверхностные, дефекты (границы зерен,

границы самого кристалла). Поверхностные дефекты малы

только в одном измерении;

• объемные дефекты, или макроскопические нарушения (за

крытые и открытые поры, трещины, включения постороннего

вещества). Объемные дефекты имеют относительно большие

размеры, несоизмеримые с атомным диаметром, во всех трех измерениях.

Как межузельные атомы, так и вакансии (т. е. узлы решетки, в которых отсутствуют атомы) являются термодинамически равновесными дефектами: при каждой температуре в кристаллическом теле имеется вполне определенное количество дефектов.

Примеси в решетках имеются всегда, поскольку современные методы очистки кристаллов не позволяют еще получать кристаллы с содержанием примесных атомов менее 10й см-3. Если атом примеси замещает атом основного вещества в узле решетки, он называется примесью замещения. Если примесный атом внедряется в междоузлие, его называют примесью внедрения.

Точечные дефекты повышают энергию кристалла, так как на образование каждого дефекта была затрачена определенная энергия. Вокруг пустого узла или атома в междоузлии решетка искажена. Точечный дефект можно рассматривать в первом приближении как центр сжатия или расширения в упругой среде ( 7). Напряжения и деформации вокруг такого центра убывают обратно пропорционально третьей степени расстояния от него.

Важной особенностью точечных дефектов является их подвижность. Перемещение дефектов связано с преодолением потенциальных барьеров, высота которых определяется природой дефекта, структурой решетки и направлением перемещения дефекта. Перескоки вакансий приводят к перемещению атомов, т. е. к самодиффузии примесных атомов замещения. Вакансионный механизм — основной диффузионный механизм.

Для получения фиксированных концентраций вакансий и управления с их помощью процессами применяют закалку металла (резкое охлаждение после высоких температур), пластическую деформацию, облучение быстрыми нейтронами и т. д.

В настоящее время особое внимание исследователей занимают такие дефекты в кристаллах, которые носят название дислокаций (зацеплений, смещений). Представления о дислокациях оказались очень плодотворными при объяснении причин пластических деформаций, ползучести, наклепа, упрочнения, роста кристаллов и некоторых других явлений в металлах. Теория дислокаций сейчас интенсивно развивается и начинает успешно применяться при объяснении ряда процессов, протекающих в строительных материалах.

Дислокации могут быть двух основных типов: краевые (линейные) и винтовые. И те и другие возникают в том случае, если, например, вакансии объединяются или блоки кристаллов срастаются друг с другом при некотором отклонении от совершенного порядка, т. е. под некоторым углом дезориентации

Данное несовершенство постепенно приводит к смещению плоскости на один период решетки. При краевой дислокации это выглядит так, словно в совершенную кристаллическую плоскость вставлена еще одна дополнительная плоскость, перпендикулярная чертежу и не имеющая продолжения в нижней половине кристалла. Такую «лишнюю», неполную атомную плоскость называют экстраплоскостью. Центр ее изображают в виде буквы Т (отрицательная дислокация) или перевернутой Т (положительная дислокация). Длина дислокаций может составлять несколько тысяч периодов решетки, т. е. иметь протяженность порядка 1(Г3 мм, причем они могут изгибаться в спираль, петли и т. д.

Лишний атомный слой (экстраплоскость) действует как клин, изгибая решетку вокруг своего нижнего края внутри кристалла. Наиболее существенно то, что в некоторой области непосредственно вблизи края экстраплоскости внутри кристалла решетка сильно искажена. Выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края — больше их. Атом на самой кромке экстраплоскости имеет меньше соседей, чем атом внутри совершенной решетки. Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией.

Винтовая дислокация представлена на 9. В этом случае происходит смещение на один период решетки правой части кристалла, частично надрезанной по плоскости ABCD относительно левой. Это приводит к изгибу горизонтальных атомных плоскостей таким образом, как это показано на схеме, где линия дислокации параллельна плоскости сдвига.

Таким образом, после сдвига по плоскости ABCD вдали от линии ВС решетка остается совершенной, а вблизи от линии ВС (вдоль нее) тянется область несовершенства. В одном измерении — вдоль линии ВС — область несовершенства имеет макроскопический размер, а в других — она очень мала (ее размеры по нормали к линии ВС составляют несколько периодов решетки). Несовершенная область вокруг линии ВС называется винтовой дислокацией.

В отличие от краевой дислокации, которая всегда перпендикулярна вектору сдвига, винтовая дислокация параллельна вектору сдвига. Кроме того, краевая дислокация в определенной кристаллографической плоскости может быть образована сдвигом только по этой плоскости. Винтовая же дислокация может образоваться при сдвиге по любой кристаллографической плоскости, содержащей линии дислокации, по любой поверхности, оканчивающейся на этой линии.

Следует учитывать, что дислокации, обладая повышенной подвижностью, сами способны стать источником новых дислокаций. Перемещаются дислокации двумя путями — скольжением или диффузией.

Теория дислокаций позволяет объяснить, почему прочность кристаллов и поликристаллического сростка до 1000 раз меньше теоретической. Именно дислокации, расположенные по границам блоков, и служат теми дефектами, удаление которых повышает прочность материала. В тонких монокристаллических нитях эта прочность приближается к теоретической.

Перемещением дислокаций удается объяснить те сравнительно невысокие усилия, которые вызывают сдвиг кристаллов в процессах пластической деформации. Например, величина наклепа, способствующая упрочнению стали, объясняется явлением дислокаций, которые могут перемещаться в кристалле. При взаимной встрече линейных дислокаций число их может возрасти, и, переплетаясь, они образуют как бы спутанные нити. В этом случае сталь упрочняется, и, если деформация будет продолжаться, она будет хрупкой.

Если надо сломать проволоку или кусок жести, то их следует несколько раз отогнуть в одну и другую сторону. Сначала металл деформируется легко, затем — немного упрочняется и, наконец, — хрупко ломается.

Металл, упрочненный деформацией, может быть возвращен в исходное «мягкое» состояние отжигом — нагревом до полной или частичной рекристаллизации, при этом большинство дислокаций исчезает.

Наличие дислокации в неметаллических строительных материалах было установлено при изучении кальцита и гипса, используемых в строительстве.

Таким образом, теория дислокаций является полезной при рассмотрении физических и физико-химических явлений в твердом теле. В то же время имеющийся опыт, а также теоретические расчеты показывают, что нельзя механически распространять выводы, вытекающие из представлений об идеальном кристалле, на реальные пористые поликристаллические неоднородные в химическом и дисперсионном отношении структуры.

Основные положения этой главы весьма важны для понимания многих процессов, происходящих в твердых и жидких телах, но не могут непосредственно применяться для определения механических характеристик искусственных строительных конгломератов.

4 Дефекты кристаллических решёток

До сих пор, описывая кристаллическую структуру металлов, мы принимали, что атомы в кристаллических решётках расположены в строгом порядке, т.е. рассматривали идеальный кристалл. В действительности же в реальных кристаллах имеется значительное число мест, в которых идеальное расположение атомов нарушено, или, как принято говорить, в кристалле имеется значительное количество дефектов. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства металлов.

Дефекты в кристаллах подразделяют по геометрическим признакам на 4 группы: точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные), объёмные (трёхмерные).

Точечные дефекты. Они характеризуются малыми размерами во всех трёх измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К ним относятся: а) вакансии – свободные места в узлах кристаллической решётки; б) дислоцированные атомы – атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решётки в междоузельные промежутки: в) примесные атомы в узле ; г) примесные атомы в междоузлии .

Число точечных дефектов зависит от температуры, вида обработки и др. При скоплении вакансий могут образовываться пустоты (поры). Наличие вакансий сообщает атомам подвижность, т.к. вакансии могут перемещаться и, следовательно, оказывать влияние на процесс диффузии. Точечные дефекты могут взаимодействовать друг с другом. При встрече вакансии и дислоцированного атома дефекты взаимно уничтожаются (аннигилируют).

Линейные дефекты (дислокации). Они характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Различают два основных типа дислокаций – краевую и винтовую. Дислокации обоих типов образуются путём сдвигов отдельных участков кристалла, приводящих к нарушению идеальности кристаллической решётки.

Краевая дислокация представляет локализованное искажение кристаллической решётки, вызванное наличием в ней «лишней» полуплоскости или экстраплоскости. Винтовая дислокация так же, как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по плоскости. В этом случае кристалл можно представить состоящим из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. Дислокации могут взаимодействовать друг с другом и с другими дефектами.

Поверхностные дефекты. Они имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух разориентированных участков кристаллической решётки. Ими могут быть границы зёрен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагмента.

Зёрна повёрнуты относительно друг друга на десятки градусов. Эти границы называют большеугловыми. Фрагменты разориентированы относительно друг друга от нескольких долей до единиц градусов – малоугловые границы, а блоки повёрнуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут. Такая структура зерна называется блочной или мозаичной.

Объёмные дефекты. Они имеют значительную по сравнению с атомами протяженность во всех трёх направлениях кристалла. Это поры, трещины, усадочные раковины и т.п. Трёхмерные дефекты образуются как в процессе кристаллизации, так и при фазовых превращениях, деформации и др. процессах. Эти дефекты значительно снижают прочность металлов.

3.1. Дефекты кристаллической решетки

В любом реальном кристалле всегда имеются дефекты строения. Дефекты кристаллического строения подразделяют на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные), объемные (трехмерные).

Т Дефекты кристаллической решеткиочечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома.

Рис.7. Схема точечных дефектов в кристалле: 1-примесный атом замещения, 2- дефект Шоттки, 3- примесный атом внедрения, 4- дивакансия, 5- дефект Френкеля (вакансия и межузельный атом), 6- примесный атом замещения.

К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), или дефект Шотки. межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения ) или внедряться в свободные места решетки (поры, межузлия) аналогично межузельным атомам (примеси внедрения ) (рис.7).

Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации (рис.8). Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой.

Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или субзернами в поликристаллическом материале, а также дефекты упаковки (локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле).

К объемным дефектам относят такие, которые имеют размеры в трех измерениях: макроскопические трещины, поры и т.д.

Н Дефекты кристаллической решеткиаличие различных дефектов кристаллической решетки объясняет несоответствие реальной и теоретической прочности металлических материалов. Реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций.

Дефекты кристаллической решетки

Рис.8.Дислокации: а) краевая, б) винтовая

Д Дефекты кристаллической решеткиостигнув минимального значения при некоторой плотности дислокаций, реальная прочность возрастает. Такого рода зависимость между реальной прочностью и плотностью дислокаций (и других несовершенств) схематически показана на рис.9.

Рис.9. Прочность кристаллов в зависимости от искажений решетки

Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокаций объясняется тем, что при этом возрастают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, а реальная прочность металла повысится.

Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические. атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел.

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких, различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами. или зернами .

Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые связывают ионы. Такая связь называется металлической .

В металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку. что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки .

Для однозначной ее характеристики используются величины: три ребра (a,b,c ) и три угла между осями α, β, γ.

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную (ГПУ).

Расстояния a,b,c между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называются периодами решетки .

Для определения положения атомных плоскостей (проходящих через атомы) в кристаллических пространственных решетках пользуются индексами h,k,l. Для определения атомных направлений пользуются индексами направлений [uvw ].

Неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией .

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *