Л2_Материаловедение_Дефекты_кр_решетки

1.

«Дефекты строения кристаллов»
Реальные кристаллы, в отличие от идеальных, имеют большое количество
дефектов, оказывающих существенное влияние на свойства металлов.
Дефекты кристаллической решётки — это нарушения идеальной
периодичности и симметрии в строении решётки, а также отклонения строения
от идеальной структуры.
Наиболее распространенными дефектами являются:
- точечные;
ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
- линейные;
- поверхностные.
Точечные
Структурные
Дефекты по
Френкелю
(межузельные
атомы)
Дефекты по
Шоттки
(вакансии)
Поверхностные
Примесные
атомы
Замещения
Линейные
Объемные
Краевые
Винтовые
Внедрения
Одномерные (линейные): дислокации.
Двумерные (плоскостные): поверхность кристалла,
границы зерен.
Трехмерные (объемные): поры, пузыри, каналы,
1
примесные фазы.

2.

Точечные дефекты кристаллических решеток
Точечные дефекты характеризуются малыми размерами во всех трех
измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров.
Атомы в узлах решетки колеблются с определенной
амплитудой, которая тем больше, чем выше температура.
Некоторые из них имеют амплитуду не только больше средней, но и
могут менять свое положение, т.е. переходить из узла в междоузлие, из
поверхностного слоя выходить на поверхность кристалла и т. д. Атом,
вышедший
из
узла
решетки
в
междоузлие,
называется
дислоцированным, а незаполненное место, где он находился, вакансией.
Через некоторое время вакансия заполняется одним из атомов из
соседнего слоя, а незаполненный узел становится вакансией. Атомы
других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях
решетки называются примесными.
Вакансии и дислоцированные атомы имеются в кристаллах при
любой температуре.
Каждой температуре выше абсолютного нуля соответствует
равновесная концентрация вакансий и дислоцированных атомов, причем
она резко повышается при нагреве (особенно вблизи температуры
плавления).
Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вследствие
тепловых движений атомов.
2

3.

К точечным дефектам относятся:
а) свободные места в узлах кр. решетки - вакансии (дефекты Шоттки);
б) атомы, сместившиеся из узлов кр. решетки в межузельные промежутки
- дислоцированные атомы (дефекты Френкеля);
в) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях
кр. решетки - примесные атомы.
Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под:
- тепловым воздействием,
- механическим воздействием,
- электрическим воздействием,
- при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.
Основными точечными дефектами в металлах являются тепловые
вакансии. При комнатной температуре концентрация вакансий
сравнительно невелика и составляет около 1 на 1018 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.
Точечные дефекты искажают кристаллическую решетку и тем самым
влияют на физические свойства металла.
3

4.

Схема точечных дефектов в кристалле
1 – примесный атом замещения; 2 – дефект Шоттки (вакансия);
3 – примесный атом внедрения; 4 – дивакансия; 5 – дефект
Френкеля (вакансия и межузельный атом); 6 – примесный атом
замещения.
4

5.

5

6.

Линейные дефекты (одномерные)
кристаллических решеток
Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух
измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем
измерении.
Наиболее важный и типичный вид линейных дефектов дислокации (лат. dislocation - смещение).
Дислокация – линейные дефекты кристаллического строения,
представляющий собой линии, вдоль или вблизи которых
нарушено правильное расположение атомных плоскостей,
характерное для кристалла.
Теория дислокаций позволила объяснить природу прочности .
Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов.
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.
6

7.

7

8.

Дислокации бывают двух видов:
- краевая,
- винтовая.
Дислокации оказывают существенное влияние на мех свойства материалов.
Краевая дислокация
Краевая дислокация образуется в результате возникновения в решетке так
называемой экстраплоскости, т.е. неполной плоскости кристаллической
решетки.
8

9. Краевая дислокация и механизм ее образования

Большинство дислокаций образуется путем сдвигового механизма при
надрезе кристалла по плоскости АВСD и сдвиге нижней части относительно
верхней на один период решетки в плоскости АВСD.
Краевая дислокация – линия, проходящая через точку А
перпендикулярно направлению сдвига (линия, вдоль которой
обрывается внутри кристалла край «лишней» полуплоскости).
а
B
A
b
F
9

10.

Винтовая дислокация
Винтовая дислокация – представляет собой некоторую условную
ось внутри кристалла, вокруг которой закручены атомные плоскости.
Винтовая дислокация возникает при сдвиге на период решетки одной
части кристалла относительно другой вдоль некоторой полуплоскости.
Винтовые дислокации получаются частичным сдвигом атомных
слоев по плоскости Q.
Кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии EF, которая
является линией дислокации. Выше линии дислокации решетка сжата, а
ниже – растянута.
10

11.

Винтовые дислокации представляют собой спиральные дефекты,
которые образуются, когда часть кристаллической решетки
смещается вокруг оси. Они имеют форму спирали и образуются в
результате вращательной деформации материала.
Винтовые дислокации также могут двигаться вдоль своей линии и
взаимодействовать с другими дислокациями. Они играют важную
роль в пластической деформации материалов и могут вызывать
различные механические свойства.
11

12.

12

13.

Плоскостные (двумерные) дефекты
кристаллических решеток
Основной дефект-представитель этого класса поверхность кристалла. Другие случаи - границы зёрен
материала, плоскости двойникования, поверхности раздела
фаз и др.
Металл состоит из множества мелких кристаллов, т. е.
имеет поликристаллическое строение. Кристаллы
неправильной формы в поликристаллическом теле
называются зернами.
Различие отдельных зерен состоит в различной
пространственной ориентации кристаллической решетки.
Границы между зернами – узкая переходная зона
шириной 5…15 атомных расстояний с сильно искаженной
структурой и высокой концентрацией атомнокристаллических дефектов.
13

14.

Граница зерна это поверхностный (двумерный) дефект, разделяющий два поразному ориентированных зерна (кристаллита). Границы с разориентацией
соседних зерен менее ~ 15° относят к малоугловым, а с большей
разориентацией — к высокоугловым (большеугловым). Малоугловые границы
образованы системами дислокаций.
а
Зерно I
Граница
Зерно II
Схема строения границы между зернами:
а – высокоугловая граница.
14

15.

В свою очередь зерно не является монолитным, а содержит
большое количество частей, разорентированных относительно друг
друга на небольшие (не более 5°) углы.
Такие части (размером 0,1…1,0 мкм) называются субзернами (см.
рис.), а структура металла – блочной или мозаичной.
a
граница между блоками (малоугловая граница); a – угол разориентировки
соседних блоков.
На границах зерен и блоков кристаллическая решетка сильно искажена
- в них скапливаются перемещающиеся внутри зерен дислокации, а также
примеси. Это оказывает существенное влияние на механические свойства
металла.
Поверхностные дефекты способствуют повышению прочности
металла.
15

16.

16

17.

«Диффузия в металлах и сплавах»
Диффузия - это перемещение
кристаллической решетки.
-
атомов
по
объему
Виды диффузии:
- самодиффузию,
гетеродиффузию.
Самодиффузия – это процесс перемещения атомов, не
связанный с изменением концентрации компонентов в отдельных
объемах.
Гетеродиффузия сопровождается изменением концентрации.
Как правило, она происходит в сплавах с повышенным
содержанием примесей.
Механизмы диффузии:
- обменный,
- циклический,
- вакансионный,
- межузельный и др.
17

18.

Механизмы диффузии атомов
При обменном механизме два соседних атома
обмениваются местами. При циклическом
механизме диффузия протекает совместным
перемещением группы атомов.
обменный
а а
1 1
циклический
б б
1 1
2 2
2 2
4 4
3 3
в в
г г
18

19.

Для металлов наиболее вероятным является
вакансионный механизм диффузии, при котором
вакансии кристаллической решетки занимаются
расположенными рядом атомами.
При
межузельном
механизме
диффузии
наблюдается переход атома из одного межузлия в
соседнее.
а Такой
а
б б для
механизм
1 1 характерен
1 1 компонентов с
малым атомным радиусом. Например, диффузия
4
2 2 4 водорода
атомов
углерода,
азота,
в
2 2
железоуглеродистых сплавах.
3 3
межузельный
вакансионный
в
в
3
4
4
32
г
2
1
1
г
2
1
2
1 3
34
4
19

20.

Наиболее легко диффузия протекает по
границам и на поверхности зерен, где
сконцентрированы дефекты кристаллического
строения.
Существенно увеличивает скорость диффузии
повышение температуры. Так при повышении
температуры, начиная от комнатной, на каждые
10–15°С коэффициент диффузии возрастает
примерно в два раза.
20

21.

«Деформации и механические свойства металлов»
Деформация – это изменение геометрии
изделия под действием внешних сил, при
изменении
температуры,
влажности,
фазовых превращений и др.
Виды деформаций:
- упругие (обратимые) ,
- пластические.
21

22.

Упругие деформации возникают в том случае,
когда под действием приложенных сил происходит
незначительное (рис. а) смещение атомов (менее
межатомного расстояния). При подобном смещении
атомов из положения равновесия нарушается баланс
сил притяжения или отталкивания.
Поэтому, после снятия нагрузки, смещенные
атомы возвращаются в исходное равновесное
положение и кристаллы приобретают свою
первоначальную форму и размеры.
Схема упругой деформации
а
б
22

23.

Пластическая
(остаточная)
деформация
вызывает
остаточные
изменения
формы,
структуры
и
свойств
металла
без
макроскопических нарушений сплошности.
При деформации скольжением отдельные
части кристалла смещаются относительно друг
друга под действием касательных напряжений τ,
достигающих
определенной
критической
величины.
а
Схема пластической деформации скольжением
б
23

24.

При
деформации
двойникованием
происходит перестройка части кристалла в
новое положение, зеркально симметричное к
недеформируемой
части
относительно
а
б
плоскости А–А, называемой плоскостью
двойникования.
Схема пластической деформации двойникованием
в
А
А
24

25.

«Деформации и механические свойства металлов»
К основным механическим свойствам относятся:
прочность – сопротивляемость металла деформациям и
разрушению;
упругость – способность металла восстанавливать
свою форму и объем после прекращения воздействия
причин, вызывающих деформацию;
твердость – сопротивление металла проникновению в
него более твердого тела;
пластичность – способность металла под действием
внешних сил изменять (не разрушаясь) свою форму и
размеры и сохранять остаточные деформации после
устранения этих сил;
ударная
вязкость
–
способность
металла
сопротивляться действию ударных нагрузок;
изнашиваемость – способность металла истираться от
действия сил трения.
25