Дефекты строения кристаллических тел

Дефекты строения кристаллических тел

• Дефекты в структуре кристалла Идеальная кристаллическая решетка-это многократное повторение основных кристаллических ячеек. Реальные металлы характеризуются наличием большого количества структурных дефектов, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материала. Кристаллическая структура имеет три вида дефектов: точечные, прямые и поверхностные.

Точечный дефект Точечные дефекты(рис. 1.10) характеризуется всеми трехмерными малыми размерами. Не больше атомов, чем его размер. Точечные дефекты включают: а) свободное пространство в кристаллической решетке вакансий (дефекты Шоттки); б) атомы перемещаются из узла решетки в интерстициальное пространство-позиционированный атом (Френкель). а-вакансия; б-дислоцированный атом; в-атом примеси. 30 точек дефектов образуются в процессе кристаллизации под воздействием тепловых, механических и электрических воздействий,

а также облучения нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами. Людмила Фирмаль

Вакансии и дислоцированные атомы могут появиться из-за теплового движения атомов. В типичной металлической решетке Энергия образования дислоцированных атомов намного больше, чем энергия образования термических вакансий. Таким образом, основными точечными дефектами металла являются термические вакансии. При комнатной температуре концентрация вакансий относительно невелика, около 1/1018 атомов, но резко возрастает при нагревании, особенно вблизи точки плавления.

Точечные дефекты не фиксируются в определенном объеме металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии. Косвенным свидетельством образования вакансий в кристаллической решетке является то, что при нагревании двух одинаковых образцов алюминия до температуры на несколько градусов ниже их температуры плавления объем быстроохлажденного (закаленного) образца при комнатной температуре постепенно охлаждается (отжигается), если эти образцы охлаждаются с разной скоростью, то объем быстроохлажденного (отожженного) образца постепенно увеличивается за счет того, что он образует большое количество вакансий при температуре, близкой к температуре плавления.

• В случае медленного охлаждения большинство атомов успевают вернуться в исходное положение. При быстром охлаждении эти вакансии возвращаются в исходное состояние и не успевают остаться в структуре затвердевшего образца. Когда затвердевший образец нагревается и медленно охлаждается, разница в объеме образца устраняется. Наличие вакансий объясняет возможность диффузии, то есть перемещения атомов на расстояние, превышающее среднее межатомное расстояние данного металла. Движение атомов осуществляется путем обмена вакансиями и местами. Есть самодиффузия и гетерозиготность. В первом случае движение атомов не изменяет своей концентрации в отдельных объемах, во втором-с изменением концентрации.

Гетеродиффузия характерна для сплавов с высоким содержанием примесей. Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомного расстояния, что приводит к искажению кристаллической решетки. Это увеличивает сопротивление решетки дальнейшим перемещениям атомов, способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электрическое сопротивление. 31вакансии, смещения атомов и другие точечные дефекты были обнаружены при исследовании металлов с помощью автомобильных микроскопов, что привело к увеличению более чем в 106 раз.

Линейные дефекты характеризуются двумерными малыми размерами, но они имеют значительную протяженность в трехмерном пространстве. Людмила Фирмаль

Наиболее важный вид линейных дефектов-дислокация (лат. Дислокация-смещение). Теория дислокаций впервые была применена в середине XX века физиками Орованем, Поляни и Тейлором для описания процессов пластической деформации кристаллических тел. Его использование позволило объяснить прочностные и пластические свойства металлов. С помощью теории дислокаций можно было объяснить большую разницу между теоретической прочностью и практической прочностью металла. Интересно, что долгое время создание когерентных теорий дислокаций определяло целесообразность их практического обнаружения.

Наличие дислокаций было предсказано гораздо раньше, чем было выявлено их присутствие в металле. Дислокации были обнаружены только с помощью электронного микроскопа из-за сопутствующей деформации или искажения кристаллической решетки. При прохождении электронного пучка через такую деформацию происходит дифракция электронов, а также рентгеновская дифракция. Для риса. 1.11 одному «лишнему» атому дана схема полуплоскости, т. е. участка кристаллической решетки с граничными дислокациями. Линейная атомная полуплоскость PQQ’P ’ называется плоскостью, а нижний край плоскости называется линией дислокации.

Если экстраплан находится в верхней части кристалла, то дислокация называется положительной, а если она находится ниже, то обозначается как «1», а если отрицательная — «Т». Разница между дислокациями чисто условное. При инверсии кристаллов положительные дислокации превращаются в отрицательные. Символы дислокации позволяют оценить последствия их взаимодействия. Вывих одного симптома отталкивает, а другого наоборот-притягивает. Из рисунка ниже вы можете видеть, что атомы на граничных дислокациях испытывают сжатие, в то время как нижние атомы испытывают напряжение. Во время прохождения электронного пучка Рис 1.11 региональной дислокации. 1.12 винтовой сдвиг

При таком напряжении решетки происходит дифракция. Дислокации также обнаруживаются при травлении химическими реагентами. В том месте, где дислокация выходит на полированную поверхность металла, скорость химического травления выше. Помимо краевых дислокаций в Кристалле могут образовываться винтовые дислокации (рис. 1.12). Винтовые дислокации могут быть получены частичным смещением атомного слоя вдоль плоскости q, Что разрушает параллельность атомного слоя. Это как если бы кристаллы были закручены винтами вокруг линии EF. Линия EF-это линия дислокации. Это позволит разделить части, где сдвиг еще не произошел.

Спиральная дислокация, образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки-левой. Вблизи дислокационных линий атомы смещаются со своих мест, кристаллическая решетка искажается, и это вызывает образование полей напряжений: на дислокационных линиях решетка сжимается и втягивается под нее. Энергия деформации кристаллической решетки характеризуется вектором бюргерса. Этот вектор может быть получен при перемещении от узла к узлу и замыкании замкнутой цепи реальных кристаллов, окружающих дислокации в цепи (рис. 1.13). До н. э. часть состоит из сегментов да. Где b-значение вектора гамбургера.

Вектор бюргерса краевой дислокации равен межатомному расстоянию и перпендикулярен линии дислокации. В случае спиральных дислокаций значения те же, но они параллельны линиям дислокации. S соответствует вектору гамбургера, который смог получить слияние или пересечение зоны множественных дислокаций контурной формы следа 7σ РП ■ РП долготы в TINP Т ОСАГО ПГ ЦГИ Вывихнутый. Вектор Бергера характеризует свойства дислокации, главным образом ее способность к перемещению. Если дислокации имеют вектор Бергера в противоположном направлении, то это дислокации разных знаков. Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также при пластической деформации и фазовом превращении.

Плотность дислокаций может достигать больших значений. Плотность дислокации p обычно понимается как общая длина дислокации 27 на единицу объема V Кристалла: p=27/V следовательно, плотность дислокации p выражается в СМ/см3 или см2. В случае отожженного металла плотность дислокаций составляет 103-10 6 см2, а после холодной деформации она возрастает до IO11-1012 см-2, что соответствует 1 см3 дислокаций около 1 млн. килограммов. Подсчитав количество дислокаций, выходящих на единицу площади вытравленного металлического шлейфа, и исследовав структуру пленки на просвет в электронном микроскопе, можно экспериментально получить большую плотность дислокаций. Установлено, что дислокации притягивают атомы примесей к своим зонам, которые осаждаются в виде цепочек по краям экстраплоскости.

Такие атомы снижают уровень упругости дислокационных структур. Цепочки чужеродных атомов образуют то, что называется атмосферой Коттрелла, или облаком Коттрелла. По мере повышения температуры облако Коттрелла рассеивается. Когда температура падает до температуры, соответствующей пределу растворения, они могут образовывать дисперсную секрецию второй фазы. Использование теоретической и практической теории дислокаций прочности позволило объяснить большое расхождение между теоретической прочностью металлов и фактической прочностью. Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению силы межатомной связи на число атомов в поперечном сечении Кристалла.

Расчетное усилие для вытеснения некоторых других кристаллов оказалось на 2-3 порядка выше фактически затраченного при пластической деформации металла. Таким образом, теоретическая прочность чугуна составляет около 13000 МПа, а фактическая-всего 250 МПа. Это расхождение между теоретической и практической интенсивностями объясняется тем, что деформация происходит не при одновременном смещении всей атомной плоскости, а постепенно. 34 линии Б сектор Бержер а Рис. 1.14 схема пластической деформации за счет последовательного смещения дислокаций в простой кубической решетке: а-начальное состояние граничных дислокаций (_L); б-контур

Бюргерса периферии дислокаций; а-начальное состояние решеток без искажений после скольжения. Сдвиг движения. Влияние дислокаций на процесс пластической деформации показано на примере граничной дислокации. 1.14 пластический сдвиг является результатом постепенной миграции дислокаций в плоскости сдвига. Распространение скольжения по поверхности скольжения происходит последовательно. Каждый элементарный акт перемещения дислокации из одного положения в другое достигается разрушением только одной вертикальной атомной плоскости. Дислокации требуют гораздо меньших усилий, чем смещение жесткости части кристалла в плоскости сдвига.

Когда дислокации движутся вдоль направления сдвига через весь Кристалл, верхняя и нижняя части Кристалла смещаются на одно межатомное расстояние. В результате смещения дислокации выходят на поверхность кристалла и исчезают. Скользящие ступени остаются на поверхности. В лекциях о роли дислокаций Орован указывал на то, как двигаются такие представители животного мира, как дождевые черви и змеи, в качестве аналогии для движения дислокаций. Они являются Два.* Ирис 1.15 схема дислокационного движения по аналогии с движением складок на ковре Я Последовательно движущиеся части его тела скользят к поверхности Земли. В этом случае область, через которую проходит возмущение, вернется к своей первоначальной форме.

При пластическом смещении за дислокациями атомные структуры верхнего и нижнего слоев восстанавливают свою первоначальную форму. Другой аналогией движения дислокаций является движение складок на ковре(рис. 1.15). Непрерывное движение складок требует гораздо меньших усилий, чем перемещение всего ковра к поверхности пола, но в обоих случаях достигается один и тот же результат-ковер будет выглядеть более привлекательно. Дислокация легко перемещается в направлении, перпендикулярном дополнительной плоскости. Чем легче перемещается дислокация, тем ниже прочность металла и тем легче пластическая деформация. Пластическая деформация кристаллического тела связана с количеством дислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимодействия с дефектами решетки и др.

Природа связей между атомами влияет на пластичность Кристалла. Поэтому в неметаллах с жесткими направленными связями дислокации очень узкие и требуют большого напряжения, которое более чем в 103 раза больше, чем у металлов. В результате хрупкого разрушения неметаллы появляются раньше, чем происходит сдвиг. Итак, причиной низкой прочности реального металла является наличие дислокаций в структуре материала и других несовершенств кристаллической структуры. Получение кристаллов без дислокаций приводит к резкому увеличению прочности материала(рис. 1.16). Левая ветвь кривой соответствует созданию полного бездислокационного нитевидного кристалла (так называемого»уса»), интенсивность которого близка к теории.

Плотность дислокаций ограничена, и с другими искажениями кристаллической решетки, процесс сдвига легче для большего количества дислокаций существовать в объеме металла. Влияние искажения решетки на прочность Кристалла риса 1.16… Теоретическая сила сила усов Я Я Я / Тактические/прочность/металл металл твердея я чисто металлической плотности дислокации и другие искажения С увеличением напряжения 36 увеличивается число источников дислокаций в металле, а его плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций, дислокации происходят в разных плоскостях и направлениях. Дислокации влияют друг на друга, мешают друг другу двигаться, исчезают (взаимное разрушение) и так далее.

Джей Джи, я был в состоянии двигаться. Гордон образно назвал их взаимодействие в процессе пластической деформации «дислокацией интимной жизни».»»По мере увеличения плотности дислокаций их перемещение становится все более затруднительным, требуя увеличения нагрузки, приложенной для продолжения деформации. В результате металл затвердевает, и это достигается кривой фиг. 1.16 Укреплению способствуют и другие несовершенства кристаллической структуры, которые также тормозят движение дислокаций. К ним относятся атомы примесей, растворенных в металлах и легирующих элементах, частицы секреций второй фазы, границы зерен или блоки, etc. 

in на практике препятствие движению дислокаций, то есть упрочнение, производится введением других элементов (легирование), упрочнением, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах, прочность увеличивается, а пластичность уменьшается. Металл становится более прочным, но хрупким. Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя способами: 1) Получение металла, близкого к идеальной структуре кристаллической решетки, т. е. кристаллической решетки. Поверхностные дефекты поверхностные дефекты малы по толщине и велики по другим двумерным размерам. Обычно это места стыков двух ориентированных частей кристаллической решетки.

Это могут быть границы зерен, границы фрагментов в зернах, границы блоков во фрагментах. Соседние зерна, согласно их кристаллической структуре, имеют различную пространственную ориентацию решетки. Блоки вращаются друг против друга под углом от нескольких секунд до нескольких минут, их размер составляет фрагмент 10 см, и они имеют угол изменения направления, не превышающий 5°. Если изменение направления в угловом направлении решетки соседних зерен меньше 5″, то такая граница называется малоугловой границей. Три. Эта граница показана на рисунке. 1.17 все границы подзерен(границы фрагментов и блоков) имеют малый угол наклона.

Структура границ зерен оказывает большое влияние на свойства металлов. Для риса. 1.18 показано, что границы зерен и границы фаз совпадают (когерентны), частично совпадают(полукогерентны) и не совпадают(некогерентны). Границы зерен представляют собой атомные расстояния во внешнем атомном порядке и в широких узких переходных зонах 5-10. В пограничной области кристаллическая решетка одного кристаллического зерна переходит в другую кристаллическую решетку(рис. 1.19). Неупорядоченная структура переходного слоя усугубляется накоплением дислокаций в этой зоне и увеличением концентрации примесей.

Скользящая поверхность и направление скольжения соседних частиц не совпадают. Горка сначала растет на наиболее благоприятно ориентированных злаках. Различные ориентации скользящих систем не позволяют дислокациям перемещаться к соседним зернам, и они останавливаются, когда достигают границ зерен. Напряжение, обусловленное накоплением дислокаций на границах некоторых частиц, является упругим. Ирис 1.19 схема кристаллической структуры и границы между ними Зерно Я Они распространяются за пределы границ и в соседние страны, в результате чего активизируются источники образования новых дислокаций (источники Франка-Рида). Передача деформации Граница зерна • • • Это как передача эстафеты в легкой атлетике, от одного зерна к другому.

Они оказывают существенное влияние на механические свойства металла, так как границы зерен мешают движению дислокаций, а концентрация примесей высока. Размер частиц обычно понимается как величина среднего диаметра, обнаруженного в поперечном сечении. Это определение условно, так как фактическая форма зерна в металле колеблется в широких пределах от нескольких микрометров до миллиметров. Средний размер частиц оценивается 10 баллами по специальной стандартизированной шкале, характеризующейся количеством зерен на 1 мм2 поверхности резания, с увеличением в 100 раз. 1.20). Процесс пластического течения, а значит и предел текучести, зависит от длины свободного пробега дислокации до» непрозрачного » барьера, то есть границы частиц металла.

Предел текучести o связан с размером частиц d уравнением Холла-Петча: o=<70+kd-l / 2, где O0 и y-константы для данного металла. Чем лучше зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. В то же время при шлифовании зерен пластичность и вязкость металла повышаются. Последнее особенно важно для металлических изделий, работающих при низких температурах.

Повышенная пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и структурой мелкодисперсных металлов, отсутствием крупных скоплений, структурных дефектов, способствующих образованию трещин. Кроме этих дефектов в металлах имеются такие объемные дефекты, как макропоры, пузырьки, неметаллические включения, микротрещины и др. Эти дефекты снижают прочность металла.

Смотрите также:

Методические указания по материаловедению

Кристаллизация металлов	Общая характеристика металлов и сплавов
Свойства металлов и сплавов	Кристаллическое строение металлов