Строение реальных металлов дефекты кристаллического строения
Обновлено: 08.05.2024
Изучение строения кристаллической решетки, которая представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек, характеризующаяся наличием большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов.
| Рубрика | Химия |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 09.11.2009 |
| Размер файла | 1,1 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Министерство образования Российской Федерации
Российский Государственный Профессионально Педагогический Университет
Реферат по теме:
Дефекты кристаллического строения металла
Оглавление
Дефекты строения кристаллических тел
Список используемой литературы
Введение
Металлы и их сплавы повсеместно используются для изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов (керамики, клеев), металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.
Общее свойство металлов и сплавов -- их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.
Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. 1.1).
В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1-0,7 нм, размеры элементарных ячеек -- 0,2-0,3 нм.
Дефекты строения кристаллических тел
Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материала.
Различают четыре типа дефектов строения металлов: точечные, линейные, поверхностные и объемные.
Точечные дефекты (рис. 1.2) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки -- вакансии (дефекты Шоттки); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки -- дислоцированные атомы (дефекты Френкеля); в) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки -- примесные атомы.
Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздействием тепловых, механических, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.
Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вследствие тепловых движений атомов. В характерных для металлов решетках энергия образования дислоцированных атомов значительно больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому основными точечными дефектами в металлах являются тепловые вакансии. При комнатной температуре концентрация вакансий сравнительно невелика и составляет около 1 на 10 18 атомов, но резко повышается при нагреве, особенно вблизи температуры плавления. Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии.
Рис.1.2. Точечные дефекты в кристаллической решетке:
а) вакансия; б) дислоцированный атом
Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии -- перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для данного металла. Перемещение атомов осуществляется путем обмена местами с вакансиями. Различают самодиффузию и гетеродиффузию. В первом случае перемещения атомов не изменяют их концентрацию в отдельных объемах, во втором -- сопровождаются изменением концентрации. Гетеродиффузия характерна для сплавов с повышенным содержанием примесей.
Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление.
Вакансии, дислоцированные атомы и другие точечные дефекты обнаружены при исследовании металлов с помощью автоионного микроскопа, дающего увеличение свыше 10 6 раз.
Линейные дефекты
Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов -- дислокации (лат. dislocation -- смещение). Теория дислокаций была впервые применена в середине тридцатых годов ХХ века физиками Орованом, Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристаллических тел. Ее использование позволило объяснить природу прочности и пластичности металлов. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.
На рис. 1.3 приведена схема участка кристаллической решетки с одной «лишней» атомной полуплоскостью, т. е. краевой дислокацией. Линейная атомная полуплоскость PQQ'Р' называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости -- линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком «+», если в нижней -- то отрицательной и обозначают знаком «-». Различие между дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную. Знак дислокации позволяет оценить результат их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного -- притягиваются.
Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис. 1.4).
Винтовые дислокации могут быть получены путем частичного сдвига атомных слоев по плоскости Q, который нарушает параллельность атомных слоев. Кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии EF. Линия EF является линией дислокации. Она отделяет ту часть плоскости скольжения, где сдвиг уже завершился, от той части, где сдвиг еще не происходил. Винтовая дислокация, образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки -- левой.
Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристаллическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже растянута.
Рис. 1.3. Краевая дислокация
Рис. 1.4. Винтовая дислокация
Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций обычно понимают суммарную длину дислокаций l, приходящуюся на единицу объема V кристалла:
= l/V.
Таким образом, размерность плотности дислокаций : см/см 3 , или см- 2 . Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 10 6 -10 3 см- 2 , после холодной деформации она увеличивается до 10 11 -10 12 см- 2 , что соответствует примерно 1 млн километров дислокаций в 1 см 3 .
Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла.
Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относительно другой оказалось на 2-3 порядка выше фактически затрачиваемого при пластической деформации металла. Так, теоретическая прочность железа составляет около 13 000 МПа, а фактическая -- всего 250 МПа.
Такое расхождение теоретической и фактической прочности объясняется тем, что деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомных плоскостей, а путем постепенного перемещения дислокаций. Влияние дислокаций на процесс пластической деформации на примере краевых дислокаций показано на рис. 1.5. Пластический сдвиг является следствием постепенного перемещения дислокаций в плоскости сдвига. Распространение скольжения по плоскости скольжения происходит последовательно. Каждый элементарный акт перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной вертикальной атомной плоскости. Для перемещения дислокаций требуется значительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной части кристалла относительно другой в плоскости сдвига. При движении дислокации вдоль направления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней его частей лишь на одно межатомное расстояние. В результате перемещения дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает. На поверхности остается ступенька скольжения, которую можно увидеть при помощи микроскопа.
Рис. 1.5. Схема пластической деформации путем последовательного перемещения дислокации в простой кубической решетке: а) исходное состояние краевой дислокации (^); б) контур Бюргерса вокруг дислокации; в) контур Бюргерса для неискаженной решетки после скольжения
Аналогией движения дислокаций является перемещение складки на ковре. Последовательное перемещение складки потребует значительно меньше усилий, чем перемещение всего ковра по поверхности пола, хотя в обоих случаях будет достигнут один и тот же результат -- ковер переместится на одинаковое расстояние (рис. 1.6).
Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже прочность металла, тем легче идет пластическая деформация.
Пластическая деформация кристаллических тел связана с количеством дислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимодействия с дефектами решетки и т. д. Характер связи между атомами влияет на пластичность кристаллов. Так, в неметаллах с их жесткими направленными связями дислокации очень узкие, они требуют больших напряжений для старта -- в 10 3 раз больших, чем для металлов. В результате хрупкое разрушение в неметаллах наступает раньше, чем сдвиг.
Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов является наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов (рис. 1.8).
Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных бездислокационных нитевидных кристаллов (так называемых «усов»), прочность которых близка к теоретической.
При ограниченной плотности дислокаций и других искажений кристаллической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций находится в объеме металла.
С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемешаться, происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д., что позволило Дж. Гордону образно назвать их взаимодействие в процессе пластической деформации «интимной жизнью дислокаций». С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой на рис. 1.8.
Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделений второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике препятствие движению дислокаций, т. е. упрочнение, создается введением других элементов (легирование), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.
Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.
Рис. 1.6. Схема движения дислокации по аналогии
с перемещением складки на ковре
Двойникование - линейный дефект, образование в монокристалле областей с измененной ориентацией кристаллической структуры при помощи зеркального отражения структуры материнского кристалла (матрицы) в определенной плоскости - плоскости двойникования (рис. 1.7), поворота вокруг кристаллографической оси - оси двойникования либо другого преобразования симметрии.
Двойниковое образование называют двойником. Он может образоваться при кристаллизации, деформации кристалла или при фазовом превращении.
Рис. 1.7. Схема двойникования.
Поверхностные дефекты
Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую пространственную ориентировку решеток. Блоки повернуты друг по отношению к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут, их размер 10- 5 см. Фрагменты имеют угол разориентировки не более 5°. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен меньше 5°, то такие границы называются малоугловыми границами. Такая граница показана на рис. 1.9. Все субзеренные границы (границы фрагментов и блоков) -- малоугловые. Строение границ зерен оказывает большое влияние на свойства металла.
Рис. 1.8. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов
Рис. 1.9. Схема малоугловой границы между блоками
На рис. 1.10 показано, что границы зерен и фаз могут совпадать (когерентные), совпадать частично (полукогерентные) и не совпадать (некогерентные).
Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого (рис. 1.11). Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.
Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не совпадают. Скольжение первоначально развивается в наиболее благоприятно ориентированных зернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются. Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зерен упруго распространяются через границы в соседние зерна, что приводит в действие источники образования новых дислокаций (источники Франка--Рида). Происходит передача деформации от одних зерен к другим, подобно передаче эстафеты в легкоатлетических соревнованиях.
Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла.
Рис. 1.10. Схема межфазных границ: а) когерентные; б) полукогерентные; в) некогерентные
Рис. 1.11. Схема строения зерен и границ между ними
Объемные дефекты
К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы (рис. 1.12); частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. Объёмные дефекты снижают пластичность, влияют на прочность, на электрические, оптические и магнитные свойства кристалла так же, как и дислокации.
Рис. 1.12 Пора в металле
Заключение
Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Существуют такие дефекты как точечные (вакансия, дислоцированный атом), линейные (краевая, винтовая дислокации, двойник), поверхностные (межфазные границы), объемные (поры, каналы и др.). Наличие дефектов существенно влияет на комплекс прочностных свойств металла.
Список используемой литературы
· Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов - М.:Металлургия 2008
· Козлов С.Ю. Материаловедение 2008
· Пейсахов А.М. Материаловедение
Подобные документы
Газообразные, конденсированные, жидкие и аморфные фазы веществ. Описание строения кристаллических фаз. Пределы устойчивости кристаллических структур. Дефекты твёрдого тела. Взаимодействие точечных дефектов. Способы получения некристаллических твердых фаз.
контрольная работа [3,6 M], добавлен 20.08.2015
Металлы как поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких, различно ориентированных по отношению друг другу кристаллов, знакомство со свойствами. Рассмотрение дефектов кристаллической решетки. Характеристика модели винтовой дислокации.
дипломная работа [1,0 M], добавлен 18.01.2014
Грань между органическими и неорганическими веществами. Синтезы веществ, ранее вырабатывавшихся только живыми организмами. Изучение химии органических веществ. Идеи атомистики. Сущность теории химического строения. Учение об электронном строении атомов.
реферат [836,2 K], добавлен 27.09.2008
Атомно-кристаллическое строение металла. Размещение атомов в кристаллографической плоскости. Исследование процесса перехода металла из жидкого состояния в твердое. Изучение роли точечного несовершенства кристаллической решетки в диффузионных процессах.
реферат [863,9 K], добавлен 19.09.2013
Химическое строение - последовательность соединения атомов в молекуле, порядок их взаимосвязи и взаимного влияния. Связь атомов, входящих в состав органических соединений; зависимость свойств веществ от вида атомов, их количества и порядка чередования.
презентация [71,8 K], добавлен 12.12.2010
Молекулярное строение полимерного вещества (химическая структура), т. е. его состав и способ соединения атомов в молекуле. Предельный случай упорядочения кристаллических полимеров. Схема расположения кристаллографических осей в кристалле полиэтилена.
контрольная работа [26,4 K], добавлен 02.09.2014
Изучение номенклатуры, свойств, строения природных и синтетических полимеров, являющихся естественными наноструктурированными системами. Основные типы строения и процессы образования макромолекул. Виды полимеризации, стадии поликонденсационных процессов.
Дефекты кристаллического строения металлов
Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки. Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело).
Металлы образуют одну из следующих высокосимметричных сложных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно-центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.
В кубической объемно-центрированной решетке атомырасположены в узлах ячейки и один атом – в центре объема куба. Кубическую объемно-центрированную решетку имеют следующие металлы: Rb, К, Na, Li, Та, W, V, Feα, Cr, Nb, Ba и др.
В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены в углах куба и в центре каждой грани.Этот тип решетки имеют металлы Pb, Sc, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Cu и др.
В гексагональной решетке атомы расположены в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Эту упаковку атомов имеют металлы Hf, Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, La, и др.
Размеры кристаллической решетки характеризуются величинами периодов, под которыми понимают расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Период решетки металлов находится в пределах от 1 до 7 Å.
Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные (нуль-мерные), линейные (одномерные) и поверхностные (двухмерные).
Точечные дефекты. Эти дефекты малы во всех трех измерениях, и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся вакансии, или «дырки» (дефекты Шотки), т. е. узлы решетки, в которых атомы отсутствуют. Вакансии чаще образуются в результате перехода атомов из узлов решетки на поверхность (границу зерна, пустоты, трещины и т. д.) или их полного испарения с поверхности кристалла и реже в результате перехода в междоузлие. В кристалле всегда имеются атомы, кинетическая энергия которых значительно выше средней, свойственной данной температуре нагрева. Такие атомы, особенно расположенные вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, находящиеся дальше от поверхности, а принадлежавшие им узлы окажутся свободными, т. е. возникнут тепловые вакансии. С повышением температуры концентрация вакансий возрастает. Количество вакансий при температуре, близкой к плавлению, может достигать 1% по отношению к числу атомов в кристалле. (Быстрым охлаждением от данной температуры можно зафиксировать эти вакансии при нормальной температуре (закалка вакансий)). Возможно образование не только одиночных вакансий, но и двойных, тройных и более крупных.
 |
| Кристаллическая решетка: а - кубическая объемно-центрированная (о. ц. к.); б - кубическая гранецентрироаанная (г. ц. к.); в — гексагональная плотноупакованная (г. п. у.) |
 |
| Точечные дефекты |
Вакансии образуются и в процессе пластической деформации, а также при бомбардировке металла атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронное облучение в ядерном реакторе).
Межузсльные атомы(дефекты Френкеля). Эти дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетки в междоузлие. На месте атома, вышедшего из узла решетки в междоузлие, образуется вакансия. В плотноупакованных решетках, характерных для большинства металлов, энергия образования межузельных атомов в несколько раз больше энергии образования тепловых вакансий. Вследствие этого в металлах очень трудно возникают межузельные атомы, и тепловые вакансии в таких кристаллах являются основными точечными дефектами. (в меди при 1000°С концентрация межузельных атомов на 35 порядков меньше концентрации вакансий.)
Точечные несовершенства кристаллической решетки появляются и в результате действия атомов примесей, которые, как правило, присутствуют даже в самом чистом металле. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки. Смещения (релаксация) вокруг вакансий возникают только в первых двух слоях соседних атомов и составляют доли межатомного расстояния. Вокруг межузельного атома в плотноупакованных решетках смещение соседей значительно больше, чем вокруг вакансий.
Линейные дефекты. Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа.
 |
Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в кристалле – сдвиг (рис. 9, а). Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировать положение, при котором сдвиг охватывает не всю плоскость скольжения, а только часть ее ABCD, то граница АВ между участком, где скольжение уже произошло, и не нарушенным участком в плоскости скольжения и будет дислокацией. Линия краевой дислокации перпендикулярна вектору сдвига.
Кроме краевых различают еще винтовые дислокации. Винтовые дислокации в отличие от краевых располагаются параллельно направлению сдвига (линия AD). При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. Дислокации окружены полями упругих напряжений, вызывающих искажение кристаллической решетки. В краевой дислокации выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края – больше.
Дислокации не могут обрываться внутри кристаллита. Они могут прерываться на других дислокациях или на границах раздела (границы зерен, поверхность кристалла и т. д.). В связи с этим внутри кристалла дислокации образуют замкнутые петли или взаимосвязанные сетки.
Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокации l, приходящуюся на единицу объема V кристалла n = Σl/V. Таким образом, размерность плотности дислокаций (см -2 ).
Поверхностные дефекты. Представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или их блоками (субзернами) поликристаллического металла. Каждое зерно металла состоит из отдельных блоков, или субзерен, образующих так называемую мозаичную структуру, или субструктуру. Зерна металла обычно разориентированы относительно друг друга на величину, достигающую от нескольких долей градуса (малоугловые границы) до нескольких градусов или нескольких их десятков (высокоугловые границы).
Блоки, или субзерна, повернуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут (малоугловые границы), имеют размеры на три-четыре порядка величины меньше размеров кристаллитов (10 -6 – 10 -4 см). В пределах каждого блока, или субзерна, решетка почти идеальная, если не учитывать точечных несовершенств.
(1′ = 1/60 угловых градусов; α[°] = (180 / π ) × α[рад], где: α[рад] — угол в радианах, α[°] — угол в градусах).
Границы между отдельными кристаллитами (зернами) представляют собой переходную область шириной в 5–10 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого кристалла, имеющего иную кристаллографическую ориентацию.
 |
| схема зерна и блочной структуры |
На границе зерна атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна. По границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов.
Границы блоков, а также малоугловые границы зерен образованы дислокациями. В реальном поликристаллическом металле протяженность границ блоков и зерен очень велика, количество дислокаций в таком металле огромно (10 4 – 10 12 см -2 ). Атомы на границах зерен (или субзерен) имеют повышенную потенциальную энергию. Такую повышенную энергию имеют и атомы, расположенные на поверхности кристалла, вследствие нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия.
Лекция "Строение реальных металлов. Дефекты кристаллического строения"по дисциплине "Основы материаловедения"
Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.
Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается
В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:
· точечные – малые во всех трех измерениях;
· линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;
· поверхностные – малые в одном измерении.
Точеные дефекты
Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей. (рис. 2.1.)
Рис.2.1. Точечные дефекты
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, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). 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.
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:
Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла.
Д ислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.
Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.
Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 2.2)
Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)
Неполная плоскость называется экстраплоскостью.
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. 2.3).
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная (), если в нижней, то – отрицательная (). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.
Рис. 2.3. 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 (рис. 2.4) 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. 2.4. 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.
В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.
Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.
Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.
Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м 2 , или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м 3
Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 10 5 …10 7 м -2 , в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10 15 …10 16 м –2 .
Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 2.5)
Рис. 2.5. Влияние плотности дислокаций на прочность
Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций
Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм - “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10 15 …10 16 м –2 . В противном случае образуются трещины.
Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.
Д ислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно “захлопывание” их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.
Поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Разориентация зерен и блоков в металле
Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов ().
Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.
Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов (). Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.
В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса (). Такую структуру называют блочной или мозаичной.
Лекция "Особенности атомно-кристаллического строения металлов"по дисциплине "Основы материаловедения"
Материаловедение - это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.
Создание научных основ металловедения по праву принадлежит. Чернову Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.
Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.
В своих работах по кристаллизации стали, и строению слитка Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время.
Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.
В 1873-1876 г.г Гиббс изложил основные законы фазового равновесия и, в частности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики. Для решения практических задач знание фазового равновесия в той или иной системе необходимо, но не достаточно для определения состава и относительного количества фаз. Обязательно знать структуру сплавов, то есть атомное строение фаз, составляющих сплав, а также распределение, размер и форму кристаллов каждой фазы.
Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912 г), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют пространство, образуя пространственную дифракционную решетку, и что рентгеновские лучи имеют волновую природу. Дифракция рентгеновских лучей на такой решетке дает возможность исследовать строение кристаллов.
В последнее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны. Соответствующие методы исследования называются электронографией и нейтронографией. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полезное максимальное увеличение доведено до 100000 раз.
В пятидесятых годах, когда началось исследование природы свойств металлических материалов, было показано, что большинство наиболее важных свойств, в том числе сопротивление пластической деформации и разрушению в различных условиях нагружения, зависит от особенностей тонкого кристаллическо строения. Этот вывод способствовал привлечению физических теорий о строении реальных металлов для объяснения многих непонятных явлений и для конструирования сплавов с заданными механическими свойствами. Благодаря теории дислокаций, удалось получить достоверные сведения об изменениях в металлах при их пластической деформации.
Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.
Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты, с которыми преимущественно работают. Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с заранее расчитаными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).
До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.
По данным института имени Байкова А.Н. в нашей стране есть все условия чтобы в течении 10…15 лет машиностроение могло перейти на выпуск алюминиево-титановой подвижной техники, которая отличается легкостью, коррозионной стойкостью и большим безремонтным ресурсом.
Важное значение имеет устранение отставания нашей страны в области использования новых материалов взамен традиционных (металлических) – пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий.
Расчетами установлено, что замена ряда металлических деталей легкового автомобиля на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, позволит уменьшить массу машины на 40%; она станет более прочной; уменьшится расход топлива, резко возрастет стойкость против коррозии.
Металлы, особенности атомно-кристаллического строения
В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.
Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.
Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.
Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определ¨нным набором свойств:
· «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объ¨му металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.
Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определ¨нным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая реш¨тка.
Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
Элементарная ячейка – элемент объ¨ма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:
размеры р¨бер элементарной ячейки. a, b, c – периоды реш¨тки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определ¨нными. ·
· углы между осями ().
координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке. ·
базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки. ·
плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74) ·
Рис.1.1. Схема кристаллической решетки
Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;
примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек; ·
· базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр; ·
гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней ·
Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная
Основными типами кристаллических реш¨ток являются:
1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, )
2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, )
3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
o простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
o плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
Понятие об изотропии и анизотропии
Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим располохением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны
В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией
Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.
Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.
Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.
Д ля обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y, Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки.
Рис.1.3. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей (а) и кристаллографических направлений (б)
Для определения индексов кристаллографической 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, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей на рис. 1.3 а.
Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости,параллельные оси, имеют по ней индекс 0 (110)
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 целыж чисел. ·
Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобкаж [111]
В кубической решетке индексы направления, перпендикулярного плоскости (hkl) имеют теже индексы [hkl].
Аллотропия или полиморфные превращения.
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.
Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).
Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.
Магнитные превращения
Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.
При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определ¨нной температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – ). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.
Читайте также: