На головну

Будова реальних металів. Дефекти кристалічної будови

  1. II. Побудова карти гідроізогіпс
  2. IV. Організація методологічної роботи та проблеми побудови системного підходу
  3. IV. «Принцип загальності» логічних формул і залежність будови знакових форм мислення від його змісту
  4. Алгоритм побудови ієрархічного розбиття (дендограмм) завдань управління СОТС
  5. Алгоритм побудови інформаційно-логічної моделі предметної області
  6. Алгоритм побудови сгруппированного (або табулированного) ряду
  7. Аналіз загального рівняння площини і побудова площин

Метали і сплави, отримані в звичайних умовах, складаються з великої кількості кристалів, тобто мають полікристалічне будова. Ці кристали називаються зернами. Вони мають неправильну форму і по-різному орієнтовані в просторі. Кожне зерно має свою орієнтування кристалічної решітки, відмінну від орієнтування сусідніх зерен, внаслідок чого властивості реальних металів усереднюються і явища анізотропії не спостерігається.

У кристалічній решітці реальних металів є різні дефекти (недосконалості), які порушують зв'язку між атомами і впливають на властивості металів. Розрізняють такі структурні недосконалості:

- Точкові - малі у всіх трьох вимірах;

- Лінійні - малі в двох вимірах і як завгодно протяжні в третьому;

- Поверхневі - малі в одному вимірі;

- Об'ємні - протяжні у всіх трьох вимірах.

точкові дефекти

Одним з поширених недосконалостей кристалічної будови є наявність точкових дефектів: вакансій, дислокованих атомів і домішок (рис. 1.4).

Мал. 1.4. точкові дефекти  

Вакансія - відсутність атомів у вузлах кристалічної решітки, «дірки», які утворилися в результаті різних причин. Утворюється при переході атомів з поверхні в навколишнє середовище або з вузлів решітки на поверхню (границі зерен, порожнечі, тріщини і т. Д.), В результаті пластичної деформації, при бомбардуванні тіла атомами або частками високих енергій (опромінення в циклотроні чи нейтронне опромінення в ядерному реакторі). Концентрація вакансій в значній мірі визначається температурою тіла. Переміщаючись по кристалу, поодинокі вакансії можуть зустрічатися. І об'єднуватися в дивакансії. Скупчення багатьох вакансій може призвести до утворення пір і пустот.

Дислокований атом - це атом, що вийшов з вузла решітки і зайняв місце в междоузлие. Концентрація дислокованих атомів значно менше, ніж вакансій, так як для їх освіти потрібні істотні витрати енергії. При цьому на місці перемістився атома утворюється вакансія.

Домішкові атоми завжди присутні в металі, так як практично неможливо виплавити хімічно чистий метал. Вони можуть мати розміри більше або менше розмірів основних атомів і розташовуються у вузлах решітки або междоузлиях.

Точкові дефекти викликають незначні спотворення решітки, що може привести до зміни властивостей тіла (електропровідність, магнітні властивості), їх наявність сприяє процесам дифузії і протіканню фазових перетворень в твердому стані. При переміщенні по матеріалу дефекти можуть взаємодіяти.

лінійні дефекти

Основними лінійними дефектами є дислокації. Апріорне уявлення про дислокації вперше використано в 1934 р Орованом і Тейлером при дослідженні пластичної деформації кристалічних матеріалів для пояснення великої різниці між практичної і теоретичної міцністю металу.

дислокація - це дефекти кристалічної будови, що представляють собою лінії, уздовж і поблизу яких порушено характерне для кристала правильне розташування атомних площин.

Найпростіші види дислокацій - крайові і гвинтові.

крайова дислокаціяявляє собою лінію, уздовж якої обривається всередині кристала край "зайвої" полуплоскости (рис. 1.5).

Неповна площина називається екстраплоскості.

Більшість дислокацій утворюються шляхом зсувного механізму. Її утворення можна описати за допомогою наступної операції. Надрізати кристал по площині ABCD, зрушити нижню частину відносно верхньої на один період решітки в напрямку, перпендикулярному АВ, а потім знову зблизити атоми на краях розрізу внизу.

а) б)   Мал. 1.5. Крайова дислокація (а) і механізм її утворення (б)

Найбільші спотворення в розташуванні атомів в кристалі мають місце поблизу нижнього краю екстраплоскості. Вправо і вліво від краю екстраплоскості ці спотворення малі (кілька періодів решітки), а вздовж краю екстраплоскості спотворення простягаються через весь кристал і можуть бути дуже великі (тисячі періодів решітки) (рис. 1.6).

Якщо екстраплоскості знаходиться у верхній частині кристала, то крайова дислокація - позитивна (+), якщо в нижній, то негативна (T). Дислокації одного знака відштовхуються, а протилежні притягуються.

Мал. 1.6. Спотворення в кристалічній решітці при наявності крайової дислокації

Інший тип дислокацій був описаний Бюргерса і отримав назву гвинтовий дислокації. Вона отримана за допомогою часткового зсуву по площині Q навколо лінії EF (рис. 1.7). На поверхні кристала утворюється сходинка, що проходить від точки Е до краю кристала. Такий частковий зсув порушує паралельність атомних шарів, кристал перетворюється в одну атомну площину, закручену по гвинту у вигляді порожнього гелікоїда навколо лінії EF, яка представляє межу, що відокремлює частину площині ковзання, де зсув вже стався, від частини, де зрушення не починався. Уздовж лінії EF спостерігається макроскопічний характер області недосконалості, в інших напрямках її розміри становлять кілька періодів.

Мал. 1.7. Механізм утворення гвинтової дислокації

Якщо перехід від верхніх горизонтів до нижніх здійснюється поворотом за годинниковою стрілкою, то дислокація права, а якщо поворотом проти годинникової стрілки - ліва.

Гвинтові дислокація не пов'язана з якою-небудь площиною ковзання, вона може переміщатися по будь-якій площині, що проходить через лінію дислокації. Вакансії і дислоковані атоми до гвинтової місцезнаходження ще не стікають.

У процесі кристалізації атоми речовини, що випадають з пара або розчину, легко приєднуються до сходинки, що призводить до спіральних механізму росту кристалу.

Лінії дислокацій не можуть обриватися усередині кристала, вони повинні або бути замкнутими, утворюючи петлю, або розгалужуватися на декілька дислокацій, або виходити на поверхню кристала.

Дислокаційна структура матеріалу характеризується щільністю дислокацій.

щільність дислокацій в кристалі визначається як середнє число ліній дислокацій, що перетинають всередині тіла майданчик площею 1 м2, Або як сумарна довжина ліній дислокацій в об'ємі 1 м3.

Щільність дислокацій змінюється в широких межах і залежить від стану матеріалу. Після ретельного відпалу щільність дислокацій становить 105... 107 м-2, В кристалах з сильно деформованої кристалічною решіткою щільність дислокацій досягає 1015... 10 16 м-2.

Щільність дислокації в значній мірі визначає пластичність і міцність матеріалу (рис. 1.8).

Мал. 1.8. Вплив щільності дислокацій на міцність

Мінімальна міцність визначається критичною щільністю дислокацій ? = 105... 107 м-2. Якщо щільність менше значення ?к, то опір деформації різко зростає, а міцність наближається до теоретичної. Підвищення міцності досягається створенням металу з бездефектной структурою, а також підвищенням щільності дислокацій, що утрудняє їх рух. В даний час створені кристали без дефектів - ниткоподібні кристали довжиною до 2 мм, товщиною 0,5 ... 20 мкм - "вуса" з міцністю, близькою до теоретичної: для заліза ?В=13000 МПа, для міді ?В= 30000 МПа. При зміцненні металів збільшенням щільності дислокацій вона не повинна перевищувати значень 1015... 10 16 м-2. В іншому випадку утворюються тріщини.

Дислокації впливають не тільки на міцність і пластичність, але і на інші властивості кристалів. Зі збільшенням щільності дислокацій зростає внутрішнє тертя, змінюються оптичні властивості, підвищується електроопір металу. Дислокації збільшують середню швидкість дифузії в кристалі, прискорюють старіння і інші процеси, зменшують хімічну стійкість, тому в результаті обробки поверхні кристала спеціальними речовинами в місцях виходу дислокацій утворюються ямки.

Дислокації утворюються при утворенні кристалів з розплаву або газоподібної фази, при зрощенні блоків з малими кутами разоріентіровкі. При переміщенні вакансій всередині кристалу вони концентруються, утворюючи порожнини у вигляді дисків. Якщо такі диски великі, то енергетично вигідно "закриттю" їх з утворенням по краю диска крайової дислокації. Утворюються дислокації при деформації, в процесі кристалізації, при термічній обробці.

поверхневі дефекти

К поверхневим дефектам зараховують кордону зерен і блоків, вільні поверхні кристалів і ін. (рис. 1.9). Вони мають тільки один малий розмір - товщину.

Мал. 1.9. Разориентация зерен і блоків в металі

Джерелами поверхневих дефектів виступають:

· Кордону між разоріентіровать ділянками зерна (кристаліта), наприклад, дефекти упаковки, тобто порушення послідовності забудови атомними площинами окремих ділянок кристала - двійники;

· Кордону доменів (магнітних, сегнетоелектриків);

· Кордону включень і ін.

Багато з поверхневих дефектів є ряди і сітки дислокацій.

Розміри зерен складають до 1000 мкм. Кути разориентация складають до декількох десятків градусів (?). Кордон між зернами являє собою тонку в 5-10 атомних діаметрів поверхневу зону з максимальним порушенням порядку в розташуванні атомів.

Будова перехідного шару сприяє скупченню в ньому дислокацій. На кордонах зерен підвищена концентрація домішок, які знижують поверхневу енергію. Однак і всередині зерна ніколи не спостерігається ідеального будови кристалічної решітки. Є ділянки, разоріентіровать один щодо іншого на кілька градусів. Ці ділянки називаються фрагментами. Процес поділу зерен на фрагменти називається фрагментацією, або полігонізації. У свою чергу, кожен фрагмент складається з блоків, розмірами менше 10 мкм, разоріентіровать на кут менш одного градуса. Таку структуру називають блокової, або мозаїчної.

Поверхневі дефекти, особливо кордону між разоріентіровать ділянками зерна, впливають на фізичні властивості. Так, чим дрібніше зерно, тим вище межа плинності, в'язкість і менше небезпека крихкого руйнування. Уздовж кордонів зерен і блоків швидше протікає дифузія, особливо при нагріванні.

об'ємні дефекти

об'ємними дефектами кристалічної решітки є скупчення вакансій, що утворюють пори (Або канали), а також включення сторонніх фаз, скупчення домішок на дислокаціях та ін.

Дефекти кристалічної структури речовин виникають вже в процесі їх кристалізації. Взаємодія дефектів між собою призводить до утворення нових недосконалостей. Порушення правильності кристалічної решітки призводить до зміни властивостей матеріалу.

Всі дефекти, що зустрічаються в твердих речовинах, не є незалежними. Переміщаючись, вони стикаються один з одним; дефекти одного типу або їх сукупність за певних умов можуть перетворитися в дефекти іншого типу: сукупність вакансій, наприклад, переходить в дислокацію або пору, а пора може стати джерелом вакансій; сукупність дислокацій перетворюється в тріщину; сукупність безлічі мікроскопічних пір - в одну макроскопічну пору.

Властивості речовин визначаються видом і кількістю дефектів, наприклад, при збільшенні числа об'ємних дислокацій зростає кількість місць скупчення домішок і знижується пластичність матеріалу; дислокаційні лінії мають підвищену дифузійної провідність і ін.




Маслобоева С. М. | Вступ | Загальні вимоги, що пред'являються до матеріалів в залежності від умов використання, застосування чи експлуатації | Системний підхід до вивчення будови, структури і властивостей матеріалів | Глава 1. МЕТАЛИ | Особливості атомно-кристалічної будови металів | Механізм і закономірності кристалізації металів | Умови отримання дрібнозернистої структури | Будова металевого злитка | вивчення структури |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати