Кристаллическая решётка металлов. Дефекты кристаллического строения. Лекция 2

1.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Металлический кристалл как ионнокристаллическая система: каркас из
упорядоченных положительно заряженных
ионов «погружён» в электронный газ
Элементарные ячейки ОЦК (а) и ГЦК (б) решёток

2.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Элементарная
кристаллическая
ячейка – фрагмент
кристаллической
решётки, имеющий
минимальный
объём
и
правильно
отражающий
её
симметрию
Величины а, b, с; α, β, γ называют параметрами элементарной
кристаллической ячейки, а длины рёбер а, b, с параллелепипеда
повторяемости - периодом кристаллической решётки

3.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения

4.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
14
решёток
Бравэ

5.

Лекция 2.. Кристаллическая решётка металлов.
Дефекты кристаллического строения

6.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов.
Дефекты кристаллического строения

7.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов.
Дефекты кристаллического строения

8.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Характеристики
металлических
кристаллов
1.Тип и параметр
элементарной
ячейки
2.Миниммальное
расстояние между
центрами атомов,
d
3.Коэффициент
компактности, К
4.Координационно
е число решётки, Z

9.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Тип решётки
Минимальное
расстояние между
центрами атомов, d
Атомный радиус,
RA
Коэффициент
компактности, К
Координационное
число, Z

10.

Семинар 1. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Положение любого узла
решётки может быть
описано вектором
R=ma+nb+pc, где числа m,
n, p определяют координаты
выбранного узла,
выраженные в периодах
решётки, и называются
кристаллографическими
индексами узла
Символы некоторых узлов в
решётке ОЦК
Индексы узла, записанные в
двойных квадратных
скобках, определяют
кристаллографический
символ узла [[mnp]]

11.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Индексы направлений в кристаллах

12.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Координаты m, n, p, любого узла, через который
проходит луч, приводят к отношению трёх наименьших
целых чисел u, v, w, чтобы выполнялось соотношение
m:n:p=u:v:w.
Эти
числа
называют
кристаллографическими индексами. Заключённые в
единичные квадратные скобки индексы направления
определяют кристаллографический символ данного
направления [u v w] и всех параллельных ему
направлений.
Символ < u v w > обозначает совокупность
направлений, однотипных направлению [u v w]

13.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Индексы плоскостей в кристаллах

14.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Чтобы
установить
кристаллографические
индексы
плоскости следует:
- определить в периодах решётки длины отрезков А,В и С,
осекаемых этой плоскостью на осях координат;
- получить обратные соотношения 1/А, 1/В, 1/С;
привести отношение полученных значений к отношению
трёх наименьших целых чисел (1/А):(1/В):(1/С)=h:k:l.
Коэффициенты h:k:l называют кристаллографическими
индексами плоскости, заключённые в круглые скобки они
определяют кристаллографический символ плоскости
(hkl)
Для обозначения совокупности (множества) однотипных
плоскостей используют фигурные скобки
{hkl}

15.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Главные плоскости в кубических кристаллах:
{100} – 6 граней куба, {110} – 12 плоскостей ромбического
додекаэдра,
{111} – 8 плоскостей октаэдра

16.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Октаэдрические и
тетраэдрические пустоты
в плотнейших упаковках

17.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
ГЦК и ГПУ:
окта-0,41R,
тетра – 0,225R
ОЦК:
окта-0,291R,
тетра-0,154R

18.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Точечные (нульмерные) – вакансии, межузельные и
примесные атомы, их комплексы
Линейные (одномерные) – дислокации, цепочки точечных
дефектов
Поверхностные (двухмерные) – границы зёрен, блоков,
двойников, дефекты упаковки
Объёмные (трёхмерные) – включения, трещины, поры
Точечные дефекты: 2 типа - собственные (структурные) и
примесные. К собственным относятся вакансии и
межузельные атомы, к примесным – атомы посторонних
химических элементов

19.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Точечные дефекты

20.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения

21.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Концентрация, энергия и энтропия образования вакансий

22.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Энергия образования и миграции межузельных
атомов:
Ео= 4,5+1 эВ
Ем=0,16+0,10 эВ;
энергия миграции вакансий:
Ем=1+0,5 эВ
!Равновесная концентрация вакансий в
кристалле при температурах, близких
к температуре плавления
не превышает 1%!

23.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
Точечные дефекты
кристаллического строения
Перемещение атома на
вакантное место в слое
плотнейшей упаковки
Перемещение атома в
вакантный узел в ГЦК-решётке

24.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Изменение энергии атома
при перемещении его в
вакантный узел
Диффузия в ГЦК-решётке по
механизму вытеснения

25.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
Комплексы точечных дефектов
кристаллического строения
Комплексы точечных дефектов
а
б
Бивакансии в слое плотнейшей упаковки (а) и
тетраэдрический комплекс вакансий в ГЦК-решётке (б)

26.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Комплексы точечных дефектов

27.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
Комплексы точечных дефектов
кристаллического строения
Комплексы точечных дефектов
Гантель 100 в ГЦКрешётке, состоящая из
двух межузельных
атомов
Миграция гантели из
положения 1 – 2 в
положение 5 - 6

28.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Клин смещения в облучённом кристалле. Стрелкой показан
путь заряженной частицы, пунктиром - путь возбуждённого
иона (светлые кружки - частицы в нормальных равновесных
положениях, тёмные - смещённые частицы)

29.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения

30.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Дислокация – линейное несовершенство, образующее внутри
кристалла границу зоны сдвига

31.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения Дислокации
Краевая дислокация в кристалле
Краевые
дислокации
могут
быть
положительными
(экстраплоскость
вдвинута
сверху)
и
отрицательными
(экстраплоскость вдвинута снизу); дислокации разного знака
притягиваются и аннигилируют, одного знака - отталкиваются

32.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты кристаллического
строения
Дислокации
Контур и вектор Бюргерса для краевой дислокации
Вектор Бюргерса - вектор, который нужно провести, чтобы замкнуть
контур в идеальной решётке; он показывает величину и направление
сдвига, необходимого для образования дислокации в кристалле.
!Для краевой дислокации вектор Бюргерса
перпендикулярен линии дислокации!

33.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения

34.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Дислокации
Винтовая дислокация в кристалле
Винтовые дислокации бывают правыми и левыми. В отличие от краевой
винтовая дислокация: а) может переходить из одной атомной плоскости в
другую без переноса массы – скольжением, б) не может перемещаться с
помощью диффузионного механизма, аналогичного переползанию краевой
дислокации

35.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения Дислокации
Винтовая дислокация
Контур и вектор Бюргерса для винтовой дислокации
!Для винтовой дислокации вектор Бюргерса параллелен
линии дислокации!

36.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Расположение атомов в ядре винтовой дислокации

37.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами
Атмосферы Котрелла – расположение атомов внедрения
вдоль края экстраплоскости краевой дислокации

38.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами

39.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами
Атмосферы Снука – расположение атомов внедрения (х) в
октаэдрических пустотах ОЦК-решётки без напряжений (а) и
при наличии растягивающих напряжений (б)

40.

Семинар 1. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения Дислокации
Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами
Атмосферы Сузуки – коцентрация примесных атомов
или атомов легирующих элементов в дефекте упаковки
растянутой дислокации

41.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Дефекты упаковки
Дефект упаковки вычитания
В ГЦК-решётке
Дефект упаковки внедрения
В ГЦК-решётке
Дефект упаковки внедрения в
ГПУ-решётке

42.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Границы зёрен

43.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Границы зёрен

44.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Границы зёрен

45.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Границы зёрен

46.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Двойники
а)
б)
Двойникование:
а)совершенный двойник,
б)двойникующая дислокация а/6 <112> в ГЦК-решётке. Дислокация
находится в плоскости {111} перпендикулярной плоскости чертежа
{110}

47.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Двойники

48.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Двойники
Двойники в ẞ-кварце: а – дофинейские двойники,б – бразильские двойники

49.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Двойники

50.

Лекция 2. Кристаллическая решётка металлов. Дефекты
кристаллического строения
Двойники

51.

Задание:
Атомный вес железа равен 55,85 г/моль,
параметр элементарной ОЦК-ячейки
α-железа составляет 0,286 нм.
Определите плотность железа.
Примечание: число атомов в 1 г/атоме 6,02х1023