Главная > Металловедение (Гуляев А. П.)
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

5. Реальное строение металлических кристаллов

Обычно кусок металла состоит из скопления большого числа маленьких кристаллов неправильной формы, называемых зернами.

Рис. 11. Структура поликристаллического твердого тела (слева различная ориентация кристаллических решеток в эериах)

Кристаллические решетки в отдельных зернах ориентированы относительно друг друга случайным образом (в некоторых случаях, например, при холодной прокатке, наблюдается преимущественная ориентировка зерен — текстура (рис. 11). Поверхности раздела зерен называются границами зерен. Такой кусок металла является поликристаллом. При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, его называют монокристаллом. В настоящее время в лабораториях выращивают монокристаллы массой в несколько сот грамм и более.

Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают такой строгой периодичностью в расположении атомов, о которой говорилось выше, т. е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения.

Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные

(одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).

Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия) аналогично межузельным атомам (примеси внедрения) (рис. 12).

Рис. 12. Схема точечных дефектов в кристалле: 1 — примесный атом замещения; 2 — дефект Шоттки; 3 — примесный атом внедрения; 4 — дивакансия; 5 — дефект Френкеля (вакансия и межузельный атом); 6 — примесный атом замещения

При переходе атома из равновесного положения (узла) в междоузлие возникает пара вакансия — межузельный атом, которая называется дефектом Френкеля, а если атом из своего узла выходит на поверхность кристалла, то образующийся дефект называется дефектом Шоттки, Точечные дефекты являются центрами локальных искажений в кристаллической решетке. Однако заметные смещения атомов, окружающих вакансию или межузельный атом, создаются только на расстояниях нескольких атомных диаметров от центра дефекта, и поля упругих напряжений являются близкодействующими, т. е. быстро убывают (с увеличением расстояния) от дефекта. Точечные дефекты, хотя и требуют определенной затраты энергии для образования, являются термодинамически равновесными, т. е. всегда присутствуют в кристалле. Это связано с тем, что точечные дефекты повышают энтропию системы. В результате этого свободная энергия может понижаться до определенной (равновесной) концентрации точечных дефектов. Расчет дает для равновесной концентрации вакансий соотношение где — число вакансий в кристалле из атомов; Е — энергия, требуемая для перемещения атома из узла решетки внутри кристалла в узел на поверхности (энергия образования вакансии).

Для меди при 300 К и при 1100 К, т. е. одна вакансия приходится на 100000 атомов. Энергия образования вакансии порядка 1 эВ , а энергия образования межузельного атома эВ, что связано в основном с тем, что межузельный атом вызывает большие искажения в решетке, чем вакансия. Поэтому концентрация межузельных атомов меньше концентрации вакансий. При невысоких температурах можно достичь концентрацию точечных дефектов гораздо выше равновесной за счет облучения элементарными частицами высокой энергии, пластической деформации, закалки (быстрого охлаждения) с высокой температуры, фиксирующей высокотемпературную, концентрацию вакансии. Вакансии могут объединяться, образуя пары — бивакансии и даже скопления вакансий. Перемещения вакансий по кристаллу, которое можно рассматривать и как встречное движение атомов играют важную роль в ряде процессов в сплавах (диффузия, ползучесть и т. д.). Энергия движения вакансии, необходимая для преодоления определенного энергетического барьера при ее перемещении, близка к 1 эВ. Достигаемые в ионном микроскопе увеличения и разрешающая способность позволяют получать изображения отдельного атома или вакантного узла.

Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации — линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации (рис. 13). Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой.

Если в идеальной решетке провести контур (контур Бюргерса) вокруг любого, произвольного места, т. е. отложить определенное число параметров решетки вокруг этого места, то контур Бюргер сомкнется. Как видно из рис. 13 в реальной решетке, содержащей дислокации, контур Бюргерса не сомкнется, т. е. число параметров решетки по разные стороны дислокации будет отличаться на величину которая называется вектором Бюргерса.

Рис. 13. (см. скан) Краевая (а) и линейная (б) дислокации в кристаллической решетке

Для краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен линии дислокации (вектору а для винтовой параллелен.

Плоскость, проходящая через векторы и называется плоскостью скольжения. В кристаллах встречаются и так называемые смешанные дислокации, у которых угол между и I произвольный. Дислокации не могут обрываться внутри кристалла — они должны быть либо замкнутыми, либо выходить на поверхность кристалла. Плотность дислокаций, т. е. число линий дислокаций, пересекающих внутри металла площадку в 1 см, составляет в наиболее совершенных монокристаллах до в сильно деформированных металлах. Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально расстоянию от них. Упругая энергия, обусловленная полем напряжений, дислокаций, пропорциональна . Наличие упругих напряжений вокруг дислокаций приводит к их взаимодействию, которое зависит от типа дислокаций и их векторов Бюргерса. Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации (рис. 14), поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения. Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расплава. Основным механизмом размножения дислокаций при пластической деформации являются так называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокаций, закрепленные на концах, которые под

действием напряжений могут прогибаться, испуская при этом дислокации, и вновь восстанавливаться. Так как пластическая деформация в кристаллических телах осуществляется движением дислокаций х, то упрочнение металла может быть достигнуто путем создания препятствий для их продвижения.

Рис. 14. Схема сдвиговой деформации, осуществляемой скольжением краевой дислокации

Рис. 15. Дислокации в марганцевой стали (снято в просвечивающем электронном микроскопе): а — отдельные дислокации; б — плоское скопление дислокаций; в — дислокации сплетения; г — ячеистая дислокационная структурах 20 000

Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокаций друг с другом, с атомами примесей и частицами другой фазы. Дислокации влияют не только на прочностные и

пластические свойства металлов, но также и на их физические свойства (увеличивают электросопротивление, скорость диффузии и т. д.). Большинство методов прямого наблюдения дислокаций основано на регистрации создаваемых ими в решетке искажений. В результате этого изменяется травимость поверхности кристалла, условия дифракции рентгеновских лучей и электронов. На рис. 15 показаны изображения дислокаций в сплавах, полученные в просвечивающем электронном микроскопе.

Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в нескольких межатомных расстояниях в третьем измерении. К ним относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхности кристалла.

Рис. 16. Дефекты упаковки в марганцевой стали: а — единичные; б — скопления, Х30 000

Под дефектами упаковки подразумевают локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле.

Например в г. ц. к. решетке плотноупакованные плоскости расположены так, что каждый четвертый слой находится в той же позиции, что и первый. Однако изменение чередования плоскостей таким образом, что каждый третий слой будет повторяться, т. е. атомы будут располагаться в тех же позициях, и приведет к образованию дефекта упаковки. Дефект упаковки не создает, подобно точечным или линейным дефектам поля упругих напряжений, однако обладает энергией, которую обычно относят к единице площадц. Для алюминия эта энергия составляет для меди . Изображения дефектов упаковки в электронном микроскопе показаны на рис. 16.

Одним из видов дефектов являются так называемые двойники. Двойникованием, т. е. образованием двойников, называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки (рис. 17). Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла. Обычно деформация, двойникованием протекает в тех случаях, когда деформация скольжением, т. е. путем движения дислокаций, затруднена.

Электронно-микроскопическое изображение двойников показано на рис. 18.

Исследования строения металлов показали, что зерна в поликристаллах не являются монолитными, совершенными монокристаллами, а состоят из отдельных, так называемых субзерен (блоков), повернутых одно относительно другого на малый угол.

Рис. 17. Деформация скольжением (а) и двойннкованием (б)

Рис. 18. Двойники отжига (а) и деформационные, X 16 000 (б)

Границы субзерен и зерен в металлах принято разделять на малоугловые (угол разориентировки менее 5°) и большеугловые (более 5°). Малоугловые границы наблюдаются, как правило, между субзернами и имеют дислокационное строение (рис. 19). В простейшем случае малоугловую границу можно представить с помощью ряда параллельных краевых дислокаций. Структура большеугловых границ более сложная.

К объемным (трехмерным) дефектам относятся такие, которые имеют размеры в трех измерениях: макроскопические трещи вы, поры и т. д.

Рис. 19. Дислокационное строение малоугловой границы

1
Оглавление
email@scask.ru