Слайд 1
Физика твърдо. Част 2.
Истинските кристали (точно като „истинските момчета“) са идеални кристали, които растат на грешни места.
Слайд 2
Растеж на кристали Знаете, разбира се, че водата (при нормално налягане) замръзва при 0°. Ако температурата спадне, тогава точно при 0° водата ще започне да замръзва и ще се превръща в ледени кристали. Докато цялата вода не замръзне, температурата й няма да спадне повече. Ако, напротив, загреете леден кристал до 0°, той ще остане непроменен. Веднага щом температурата достигне 0 °, кристалът веднага ще започне да се топи. Без значение колко още нагряваме, температурата на леда няма да се повиши, докато целият лед не се разтопи. Само когато целият кристал, след като се стопи, се превърне във вода (с други думи, докато структурата на всички частици се разпадне), температурата на водата може да започне да се повишава. Всяко кристално вещество се топи и кристализира при строго определена точка на топене: желязото - при 1530°, калай - при 232°, кварц - при 1713°, живак - при минус 38°. Некристалните твърди вещества нямат постоянна точка на топене (и следователно нямат температура на кристализация); при нагряване те постепенно се размекват.
Слайд 3
Методи за отглеждане на кристали Един от тях е охлаждането на наситен горещ разтвор. При всяка температура не повече от определено количество вещество може да се разтвори в дадено количество разтворител (например вода). Ако разтворът се охлажда бавно, се образуват малко ядра и, постепенно нараствайки от всички страни, те се превръщат в красиви кристали с правилна форма. При бързо охлаждане се образуват много ядра и частиците от разтвора ще „паднат“ върху повърхността на нарастващите кристали, като грах от разкъсана торба; Разбира се, това няма да произведе правилните кристали, защото частиците в разтвора може просто да нямат време да се „утаят“ на повърхността на кристала на правилното им място. Друг метод за получаване на кристали е постепенното отстраняване на водата от наситен разтвор. „Излишното“ вещество кристализира. И в този случай, колкото по-бавно се изпарява водата, толкова по-добре се получават кристалите.
Слайд 4
Третият метод е да се отглеждат кристали от разтопени вещества чрез бавно охлаждане на течността. При използване на всички методи най-добри резултати се получават, ако се използва семе - малък кристал с правилна форма, който се поставя в разтвор или стопилка. По този начин се получават например рубинени кристали. Отглеждането на кристали от скъпоценни камъни става много бавно, понякога в продължение на години. Ако ускорите кристализацията, тогава вместо един кристал ще получите маса от малки. Този метод може да се извърши само в специални устройства. В момента повече от половината от технически важните кристали се отглеждат от стопилка. Един от най-широко използваните индустриални методи за производство на полупроводници и други монокристали е методът на Чохралски. Разработен през 1918 г. Изходният материал (шихта) се зарежда в огнеупорен тигел и се нагрява до разтопено състояние. След това зародишният кристал под формата на тънък прът с диаметър няколко mm се монтира в охладен кристален държач и се потапя в стопилката
Слайд 5
Ян Чохралски (1885 - 1953) - полски химик, изобретател на сега широко известния метод за отглеждане на монокристали от стопилка чрез издърпването им нагоре от свободна повърхност, който по-късно е кръстен на него. Според някои разкази Чохралски открива известния си метод през 1916 г., когато случайно изпуска писалката си в тигел с разтопен калай. Като извади писалката от тигела, той откри, че тънка нишка от замръзнала калай се влачи зад металната писалка. Като замени писеца на писалката с микроскопично парче метал, Чохралски се убеди, че така образуваната метална нишка има монокристална структура. В експерименти, проведени от Чохралски, са получени единични кристали с размери около един милиметър в диаметър и до 150 cm дължина
Слайд 6
Кристални дефекти При описанието на структурата на кристалите досега използвахме техните идеални модели. Разликата между истинските кристали и идеалните е, че истинските кристали нямат правилна кристална решетка. Те винаги съдържат нарушения на строгата периодичност в подреждането на атомите. Тези нередности се наричат кристални дефекти. Дефектите се образуват по време на растежа на кристалите под въздействието на термично движение на молекули, механични въздействия, облъчване от потоци частици, поради наличието на примеси и др. Кристални дефекти са всяко нарушение на транслационната симетрия на кристала - идеалната периодичност на кристалната решетка. Има няколко вида дефекти в зависимост от размера. А именно, има нулеви (точкови), едномерни (линейни), двумерни (плоски) и триизмерни (обемни) дефекти.
Слайд 7
Нулевите (или точкови) дефекти в кристал включват всички дефекти, които са свързани с изместването или заместването на малка група атоми (присъщи точкови дефекти), както и с примеси. Те възникват при нагряване, легиране, при растеж на кристали и в резултат на излагане на радиация. Те могат да бъдат въведени и в резултат на имплантиране. Свойствата на такива дефекти и механизмите на тяхното образуване са най-добре проучени, включително движение, взаимодействие, анихилация и изпаряване. Дефектите, наречени точкови дефекти, възникват, когато един от атомите на кристалната решетка е заменен с атом на примес (а), въвеждането на атом между местата на решетката (b) или в резултат на образуването на свободни места - липсата на атом в едно от местата на решетката (c).
Слайд 8
Заместващите примеси, заместващи частици от основното вещество в местата на решетката, се въвеждат в решетката толкова по-лесно, колкото по-близки са атомните (йонни) радиуси на примеса и основното вещество. Интерстициалните примеси заемат междини и освен това толкова по-лесно, колкото по-голям е обемът на пространството между атомите. Въведените атоми или йони могат да бъдат или присъщи, или примесни атоми или йони, които се различават от основните атоми по размер или валентност. Ако чужд атом е във възел, тогава това е дефект на заместване; ако е в междинно пространство, тогава това е интерстициален атом. Равновесните позиции, заети от интерстициалните атоми, зависят от материала и типа на решетката. Съседните атоми в местата на кристалната решетка са леко изместени, което води до лека деформация. Свободните места са най-важният тип точкови дефекти; те ускоряват всички процеси, свързани с движението на атомите: дифузия, синтероване на прахове и др. В технически чистите метали точковите дефекти увеличават електрическото съпротивление, но почти не влияят върху механичните свойства. Само при високи концентрации на дефекти в облъчените метали пластичността намалява и други свойства забележимо се променят.
Слайд 9
Как могат да се появят точни дефекти? Според основните принципи на статистическата физика, дори в случай, че средната кинетична енергия на атомите е много малка, винаги ще има определен брой атоми с по-висока енергия, достатъчна за атома да напусне мястото на кристалната решетка. Движейки се около кристала и отдавайки част от енергията си на други атоми, такъв атом може да бъде разположен в междини. Комбинацията от атом в интерстициално място и празно място се нарича дефект на Френкел (или двойка на Френкел). Ваканцията и интерстициалният атом са свързани чрез значителни еластични сили.
Френкелови дефекти лесно възникват в кристали, съдържащи значителни междуатомни празнини. Примери за такива кристали са вещества със структура на диамант или каменна сол.
Слайд 10
Точковите дефекти на Шотки се намират главно в плътно опаковани кристали, където образуването на интерстициални атоми е трудно или енергийно неизгодно. Някои атоми от приповърхностния слой, в резултат на топлинно движение, могат да напуснат кристала на повърхността (фиг.). След това свободното място на освободеното място може да мигрира в по-голямата част от кристала. Образуването на дефекти на Шотки намалява плътността на кристала, тъй като обемът му се увеличава при постоянна маса, докато при образуването на дефекти на Френкел плътността остава непроменена, тъй като обемът на цялото тяло не се променя.
Валтер Херман Шотки (1886 - 1976) - известен немски физик, изобретил електронната тръба с екранираща решетка през 1915 г. и тетрода през 1919 г. През 1938 г. Шотки формулира теория, предвиждаща ефекта на Шотки, който сега се използва в диодите на Шотки.
Слайд 11
По този начин, докато представляват по-малко от перфектна, подредена и донякъде монотонна последователност от редуващи се положителни и отрицателни йони, истинските кристали съдържат широка гама от интересни точкови дефекти, които, както ще видим, могат значително да повлияят на много от техните свойства. Това, както вече казахме, са присъщи дефекти, чиято концентрация зависи от температурата, и в допълнение, неприсъщи, примесни дефекти, които присъстват случайно или са добавени целенасочено по време на растежа на кристала. Всички тези дефекти могат да се считат за квазичастици. Подобно на истинските частици във вакуум, те могат да се движат и взаимодействат помежду си на големи разстояния, за да образуват по-сложни структури.
Слайд 12
Процеси на транспортиране в кристали Често погрешно се смята, че такива добре известни алкални халидни съединения като натриев хлорид и калиев хлорид са изолатори, но всъщност те са относително добри проводници, това е особено вярно при повишени температури. Фактът, че съществува проводимост, както и фактът, че както самодифузията, така и дифузията на примесните йони се случват доста лесно в йонните твърди вещества, служат като неопровержимо доказателство за наличието на точкови дефекти в тях. Много от тези материали нямат електронна проводимост - измерванията показват, че проводимостта се дължи на миграцията на йони. Въпреки това, без съществуването на празни места или интерстициални атоми, движението на йони в такъв класически йонен проводник е невъзможно: това би изисквало твърде много енергия. Благодарение на дефектите и техните движения (фиг.), Процесът на движение на йони се превръща в размяна на места между йона и дефекта; в този случай необходимото количество енергия намалява.
Слайд 13
Дифузия (лат. diffusio - разпространение, разпространение, дисперсия, взаимодействие) е процесът на взаимно проникване на молекули на едно вещество между молекулите на друго, което води до спонтанно изравняване на техните концентрации в целия зает обем. В някои ситуации едно от веществата вече има изравнена концентрация и се говори за дифузия на едно вещество в друго. В този случай прехвърлянето на вещество става от зона с висока концентрация в област с ниска концентрация (по градиент на концентрация). В кристалите както собствените атоми на решетката могат да дифундират (самодифузия или хомодифузия), така и атомите на други химически елементи, разтворени в вещество (примеси или хетеродифузия), както и точкови дефекти в кристалната структура - междинни атоми и ваканции.
Слайд 14
Дифузията е процес на молекулярно ниво и се определя от случайния характер на движението на отделните молекули. Следователно скоростта на дифузия е пропорционална на средната скорост на молекулите. Ако в смес от газове масата на една молекула е четири пъти по-голяма от друга, тогава такава молекула се движи два пъти по-бавно от движението си в чист газ. Съответно скоростта му на дифузия също е по-ниска. Тази разлика в скоростта на дифузия на леки и тежки молекули се използва за разделяне на вещества с различно молекулно тегло. Пример е разделянето на изотопи. Ако газ, съдържащ два изотопа, премине през пореста мембрана, по-леките изотопи преминават през мембраната по-бързо от по-тежките. За по-добро разделяне процесът се извършва на няколко етапа. Този процес е широко използван за разделяне на уранови изотопи (отделяне на 235U от основния 238U). (В момента за разделяне на изотопите на урана се използва методът на центрофугиране, при който газът, съдържащ уран, се върти много бързо и поради разликата в масата на молекулите се разделят изотопите, които след това се превръщат обратно в метал. )
Слайд 15
Феноменологично дифузията се подчинява на законите на Фик. Първият закон на Фик установява пропорционалността на дифузионния поток на частиците към градиента на тяхната концентрация; Вторият закон на Фик описва промяната в концентрацията поради дифузия. Феноменът на дифузия е изследван за първи път от учения от Вюрцбург А. Фик на примера на солеви разтвори. Чрез внимателно изследване Фик показа, че свободната дифузия на солеви разтвори се извършва по закони, напълно аналогични на законите за разпространение на топлината в твърдите тела.
Слайд 16
Дифузия в кристали Някои общи кристалографски характеристики на процеса на дифузия са доста очевидни, ако вземем предвид геометрията на кристала. На първо място, дифузията почти винаги става постепенно, като дължината на елементарните „стъпки“ е от порядъка на един атомен диаметър, т.е. няколко ангстрьома. Атомите се движат, като скачат от една позиция в решетката в друга. Като цяло тези елементарни скокове осигуряват движението на атомите на големи разстояния. Нека да разберем какъв е механизмът на отделните атомни скокове. Има няколко възможни схеми: движение на свободни места, движение на интерстициални атоми или някакъв метод за взаимен обмен на места между атомите (фиг.).
Атомни движения, които водят до дифузия: а – движение на свободни места; b – движение на интерстициални атоми; в – размяна на местата на два атома; d – пръстенна размяна на места от четири атома
Слайд 17
Въз основа на идеята за точкови дефекти в кристалите, Frenkel предложи два основни механизма на дифузия в твърди тела: ваканция (фиг. a: атом се движи, разменяйки места с ваканция) и интерстициален (фиг. b: атом се движи по междини ). Вторият метод премества малки (по размер) атоми на примеси, а първият метод премества всички останали: това е най-често срещаният механизъм на дифузия.
Яков Илич Френкел (1894 - 1952) - съветски учен, физик-теоретик, един от основателите на физиката на твърдото тяло. От 1921 г. до края на живота си Френкел работи в Ленинградския физико-технически институт. От 1922 г. Френкел публикува нова книга буквално всяка година. Става автор на първия курс по теоретична физика в СССР.
Слайд 18
Дислокации Дислокацията е линеен дефект в кристалната решетка на твърдо тяло, което представлява наличието на „допълнителна“ атомна полуравнина. Най-простият визуален модел на изместване на ръба е книга, в която е откъсната част от една от вътрешните страници. Тогава, ако страниците на една книга се оприличат на атомни равнини, тогава ръбът на разкъсаната част на страницата моделира линия на дислокация. Има винтови и ръбови изкълчвания.
Слайд 19
За да се образува дислокация в идеален кристал, е необходимо да се получи изместване в някаква част от равнината на приплъзване
Плътността на дислокациите варира в широк диапазон и зависи от състоянието на материала. След внимателно отгряване плътността на дислокациите е ниска; в кристали със силно деформирана кристална решетка плътността на дислокациите достига много високи стойности.
Слайд 20
Плътността на дислокациите до голяма степен определя пластичността и здравината на материала. Ако плътността е по-малка от определена стойност, тогава устойчивостта на деформация се увеличава рязко и якостта се доближава до теоретичната. По този начин се постига увеличаване на якостта чрез създаване на метал с бездефектна структура, а също така, от друга страна, чрез увеличаване на плътността на дислокациите, което възпрепятства тяхното движение.
Слайд 21
По време на пластичната деформация една част от кристала се движи спрямо друга под въздействието на тангенциални напрежения. При отстраняване на натоварванията остава срязването, т.е. настъпва пластична деформация. Прилагането на напрежение на срязване води до движение на ръбова дислокация, а изместването на нейната ос с една транслация означава промяна в полуравнината, която в момента образува дислокацията. Движението на ръбова дислокация през целия кристал ще доведе до изместване на част от кристала с едно междуатомно разстояние. Резултатът от това е пластична деформация на кристала (фиг.), т.е. части от кристала се изместват една спрямо друга с една транслация.
Металът в напрегнато състояние винаги изпитва нормални и тангенциални напрежения при всякакъв вид натоварване. Увеличаването на нормалните и срязващи напрежения води до различни последствия. Увеличаването на нормалните напрежения води до крехко счупване. Пластичната деформация се причинява от тангенциални напрежения.
Слайд 22
Увеличаването на якостта се постига чрез създаване на метал с бездефектна структура, както и чрез увеличаване на плътността на дислокациите, което възпрепятства тяхното движение. Понастоящем са създадени бездефектни кристали - мустаци с дължина до 2 mm, дебелина 0,5...20 микрона - "мустаци" със сила, близка до теоретичната. Дислокациите засягат не само здравината и пластичността, но и други свойства на кристалите. С увеличаване на плътността на дислокациите техните оптични свойства се променят и електрическото съпротивление на метала се увеличава. Дислокациите увеличават средната скорост на дифузия в кристала, ускоряват стареенето и други процеси, намаляват химическата устойчивост, поради което в резултат на обработката на повърхността на кристала със специални вещества се образуват ями в местата, където се появяват дислокации.
Слайд 23
Епитаксията е закономерният растеж на един кристален материал върху друг (от гръцки επι - върху и ταξισ - подреждане), т.е. ориентираното израстване на един кристал върху повърхността на друг (субстрат). Минималната енергия се консумира, ако кристалът расте по протежение на винтова дислокация.
Слайд 24
Благодаря ви за вниманието!
- Размер: 2,2 мегабайта
- Брой слайдове: 37
Описание на презентацията Презентация Дефекти в кристали на слайдове
Енергийни промени, които възникват по време на образуването на дефекти в идеален кристал. Печалбата в ентропията, свързана с наличието на избор на позиции, се нарича конфигурационна ентропия и се определя от формулата на Болцман S = k ln. W, където W е вероятността за образуване на едно свободно място, пропорционална на броя на редовните атоми, образуващи решетката (10 23 на 1 мол вещество).
Различни видове дефекти в кристалите: а) ваканция; б) интерстициален атом; в) малък дефект при замяна; г) голям заместващ дефект; д) дефект на Френкел; д) Дефект на Шотки (двойка празни места в катионните и анионните подрешетки)
Енергията на изместване на атом от позицията му в решетката. Енергийна бариера. За да се премести атом от неговата позиция, е необходима енергия за активиране. ΔE – енергия на образуване на дефекти; E * - енергия на активиране. 1 / 1 1 E к. T sn C N e , 2/ 2 2 E k. T mn C N e Равновесието ще бъде установено, ако n 1 = n 2: при равновесни условия в металната решетка има свободни места и интерстициални атоми! //Ек. Т м с. N N Ce
Луксации. Механични свойства и реактивност на твърдите вещества. 1) - металите обикновено се оказват много по-пластични, отколкото може да се очаква въз основа на изчисленията. Изчислената стойност на напрежението на срязване в металите е 10 5 - 10 6 N / cm 2, докато експериментално установените стойности за много метали не надвишават 10 - 100 N / cm 2. Това показва, че има някои „слаби връзки“ в структурата на металите, благодарение на което металите се деформират толкова лесно; 2) - върху повърхностите на много добре изрязани кристали, под микроскоп или дори с просто око, се виждат спирали, по които е израснал кристалът. Такива спирали не могат да се образуват в идеални кристали; 3) - без идеи за съществуването на дислокации би било трудно да се обяснят такива свойства на металите като пластичност и течливост. Пластините от магнезиев метал, например, могат да бъдат разтегнати, почти като гума, до няколко пъти тяхната първоначална дължина; 4) - втвърдяването на металите не може да бъде обяснено без позоваване на идеи за дислокации.
Подреждане на атомите около крайна дислокация Крайната дислокация е „допълнителна“ атомна полуравнина, която не минава през целия кристал, а само през част от него. Проекция на дислокация на ръба.
Преместване на ръбова дислокация под действие на срязващо напрежение. Ако свържете точки A и B, тогава това ще бъде проекцията на равнината на приплъзване, по която се движат дислокациите. Дислокациите се характеризират с вектора на Бюргерс b. За да се намери големината и посоката на b, е необходимо да се опише контур около дислокацията, мислено да се начертае от атом до атом (фиг. д). В бездефектна област на кристала такъв контур ABCD, изграден от транслации на едно междуатомно разстояние във всяка посока, е затворен: началото и краят му съвпадат в точка А. Напротив, контур 12345, заобикалящ дислокацията, не е затворен , тъй като точки 1 и 5 не съвпадат. Големината на вектора на Бъргерс е равна на разстоянието 1 - 5, а посоката е идентична с посоката 1 - 5 (или 5 - 1). Векторът на Бюргерс на дислокация на ръба е перпендикулярен на линията на дислокация и успореден на посоката на движение на линията на дислокация (или посоката на срязване) под действието на приложено напрежение.
Разместване на винта При продължаващо напрежение на срязване, обозначено със стрелките, линията SS ' и следите за приплъзване достигат задната повърхност на кристала. За да намерим вектора на Бюргерс на винтова дислокация, нека отново си представим контур 12345 (фиг. а), който „кръжи“ около него. Вектор b се определя от величината и посоката на сегмента 1 - 5. За винтова дислокация той е успореден на линията на дислокация SS ' (в случай на ръбова дислокация, перпендикулярна) и перпендикулярна на посоката на движение на дислокация, съвпадаща, както в случай на ръбова дислокация, с посоката на срязване или приплъзване.
Линия на дислокация, която променя природата на дислокацията от винт към ръб. Произход и движение на дислокационната верига Естеството на дислокациите е такова, че те не могат да завършат вътре в кристала: ако на някое място от повърхността на кристала дислокация влезе в кристала, това означава, че някъде на друга част от повърхността тя напуска кристала.
Схема на появата на дислокационна верига (пръстен) Схема на появата на свободни места (b) чрез анихилация на две дислокации с противоположен знак (a). В действителност за образуването на дислокации не е необходимо директно прилагане на външна деформираща сила. Тази сила може да бъде термични напрежения, възникващи по време на кристализация, или, например, подобни напрежения в областта на чужди включвания в втвърдяващ се метален слитък по време на охлаждане на стопилката и т.н. В реалните кристали излишните екстраравнини могат да възникнат едновременно в различни частикристал. Екстраравнината и следователно дислокациите са подвижни в кристала. Това е първата им важна характеристика. Втората характеристика на дислокациите е тяхното взаимодействие с образуването на нови дислокации, дислокационни бримки, подобни на тези, показани на фигурите по-долу, и дори образуването на празни места поради унищожаването на две дислокации с противоположен знак.
Механична якост на металите. Моделът на Френкел. Разрушителната сила обикновено се нарича напрежение и се означава със σ. Съгласно този модел съпротивлението σ първо се увеличава с увеличаване на изместването по оста x и след това пада до нула веднага щом атомните равнини се изместят с едно междуатомно разстояние a. Когато x>a стойността на σ нараства отново и отново пада до нула при x = 2a и т.н., т.е. σ(x) е периодична функция, която може да бъде представена като σ = A sin (2 π x/a ), за областта на малък x A = G /(2π), където G е модулът на Young. Една по-строга теория впоследствие даде прецизиран израз σ m ax = G /30. Диаграма на изместването на атомните равнини (а) и зависимостта на напрежението от разстоянието в кристала (б).
Експериментални и теоретични стойностиякост на срязване на някои метали. Ролков модел на изместване на атомните равнини на кристал | F 1 + F 2 |=| F 4 + F 5 | цялата ролкова система е в баланс. Човек трябва само леко да промени баланса на силите със слабо външно влияние и горният ред ролки ще се премести. Следователно движението на дислокация, т.е. колекция от дефектни атоми, се случва при ниски натоварвания. Теорията дава σ m ax, което измества дислокация, под формата σ m ax = exp ( - 2 π a / [ d (1- ν) ]), където ν е коефициентът на Поасон (напречна еластичност), d е разстоянието между равнините на приплъзване, и - период на кристалната решетка. Приемайки a = d, ν = 0,3, получаваме стойностите на σ m ax в последната колона на таблицата, от които се вижда, че те са много по-близки до експерименталните.
Схема на движение на гъсеницата Схеми на движение от дислокационен тип: a - дислокация на опън, b - дислокация на натиск, c - движение на килим. „Първо, нека се опитаме да влачим гъсеницата по земята. Оказва се, че това не е лесно да се направи; изисква значителни усилия. Те се дължат на факта, че ние се опитваме едновременно да повдигнем всички двойки крака на гъсеницата от земята. Самата гъсеница се движи в различен режим: откъсва само един чифт крака от повърхността, пренася ги във въздуха, спуска ги на земята, след което повтаря същото със следващата двойка крака и т.н., и т.н. правейки това, всички чифтове крака ще бъдат транспортирани във въздуха, цялата гъсеница като цяло ще се движи на разстоянието, на което всяка двойка крака се премества последователно. Гъсеницата не влачи чифт крака по земята. Ето защо пълзи лесно.
Начини за контрол на дислокационните дефекти. Фиксация от примеси. Примесен атом взаимодейства с дислокация и движението на такава дислокация, натоварена с примесни атоми, се оказва затруднено. Следователно ефективността на закрепване на дислокация от атоми на примеси ще се определя от енергията на взаимодействие E, която от своя страна се състои от два компонента: E 1 и E 2. Първият компонент (E 1) е енергията на еластичното взаимодействие, а вторият (E 2) е енергията на електрическото взаимодействие. Фиксиране от чужди частици. Чуждите частици са микроскопични включвания на вещество, различно от основния метал. Тези частици се въвеждат в металната стопилка и остават в метала, след като се втвърди, когато стопилката се охлади. В някои случаи тези частици влизат в химическо взаимодействие с основния метал и тогава тези частици вече представляват сплав. Механизмът на закрепване на дислокации от такива частици се основава на различни скорости на движение на дислокации в металната матрица и в материала на чужди частици. Фиксация с включвания на втората фаза. Втората фаза се разбира като освобождаване (утайки) на излишна концентрация на примеси от разтвор на метални примеси в сравнение с равновесната. Процесът на разделяне се нарича разлагане на твърд разтвор. Преплитане на дислокации. Когато плътността на дислокациите в метала е висока, те се преплитат. Това се дължи на факта, че някои дислокации започват да се движат по пресичащи се равнини на приплъзване, предотвратявайки движението на други.
Качествен изглед на кривата на разтворимост. Ако кристалът съдържаше концентрация от C m при температура T m и беше бързо охладен, тогава той ще има концентрация от C m при ниски температури, например при T 1, въпреки че равновесната концентрация трябва да бъде C 1. Излишъкът концентрацията ΔC = C m – C 1 трябва да бъде при достатъчно дълго нагряване ще отпадне от разтвора, защото само тогава разтворът ще приеме стабилно равновесно състояние, съответстващо на минималната енергия на системата A 1- x B x.
Методи за откриване на дислокации а) Микроснимка (получена в трансмисионен електронен микроскоп, ТЕМ) на кристал Sr. Ти. O 3, съдържащ две ръбови дислокации (100) (маркирани на фигурата). б) Схематично представяне на ръбова дислокация. в) Микроснимка на повърхността на кристал Ga. As (получено в сканиращ тунелен микроскоп). В точка С има винтова дислокация. г) Схема на винтова дислокация.
Визуализация на дислокации с помощта на трансмисионен електронен микроскоп. а) Тъмните линии на светъл фон са дислокационни линии в алуминий след 1% разтягане. б) Причината за контраста на дислокационната област - и кривината на кристалографските равнини води до електронна дифракция, която отслабва предавания електронен лъч
a) Гравирани ямки върху повърхността (111) на огъната мед; б) на повърхността (100) в) (110) прекристализиран Al -0,5% Mn. Дислокациите също могат да бъдат направени видими в конвенционален оптичен микроскоп. Тъй като зоните около точката, където дислокациите достигат повърхността, са по-податливи на химическо ецване, на повърхността се образуват така наречените ецващи ями, които се виждат ясно в оптичен микроскоп. Тяхната форма зависи от индексите на Милър на повърхността.
За да се получи метален материал с повишена якост, е необходимо да се създаде голям бройцентрове за закрепване на дислокация и такива центрове трябва да бъдат равномерно разпределени. Тези изисквания доведоха до създаването на суперсплави. Нов метал функционални материали. „Проектиране“ на структурата на сплавите Свръхсплавта е поне двуфазна система, в която и двете фази се различават основно по степента на подреденост в атомната структура. Суперсплавта съществува в системата Ni - Al. В тази система може да се образува обикновена смес, т.е. сплав с хаотично разпределение на атомите Ni и Al. Тази сплав има кубична структура, но възлите на куба са заменени с атоми Ni или Al произволно. Тази неподредена сплав се нарича γ фаза.
Наред с γ фазата в системата Ni - А l може да се образува и интерметално съединение Ni 3 А l, също с кубична структура, но подредено. Кубоидите Ni 3 А l се наричат γ ‘ -фаза. В γ '-фазата атомите Ni и Al заемат местата на кубичната решетка по строг закон: за един алуминиев атом има три атома никел. Схема на движение на дислокация в подреден кристал
C диаграма на закрепване на дислокация чрез включвания на друга фаза. DD – подвижна дислокация. За да се създаде суперсплав, никелът се разтопява и се смесва с алуминий. Когато разтопената смес се охлади, неподредената γ-фаза първо се втвърдява (нейната температура на кристализация е висока), а след това вътре в нея, когато температурата се понижава, се образуват малки кубоиди на γ’-фазата. Чрез промяна на скоростта на охлаждане е възможно да се регулира кинетиката на образуване, а оттам и размера на включванията на γ '-фазата Ni 3 А l.
Следващата стъпка в развитието на метални материали с висока якост беше производството на чист Ni 3 Al без γ фаза. Вид финозърнеста мозаечна структура от метал. Този материал е много крехък: по границите на зърната на мозаечната структура се появяват начупвания. Тук се идентифицират други видове дефекти, по-специално повърхността. Наистина има счупване на повърхността на кристала химични връзки, т.е. нарушението е прекъсване на кристалното поле и това е основната причина за образуване на дефект. Висящите химични връзки са ненаситени и при контакт те вече са деформирани и следователно отслабени. Схема на разкъсване на химичните връзки на кристалната повърхност.
За отстраняване на тези дефекти е необходимо: - или да се произведе монокристален материал, който не съдържа отделни зърна-кристалити; - или да намерите „буфер“ под формата на примеси, които няма да проникнат в забележими количества в обема на Ni 3 Al, но ще бъдат добре адсорбирани на повърхността и ще запълнят празните места. Изовалентните примеси, т.е. примесите, чиито атоми са в една и съща група, имат най-голям афинитет към свободните места Периодична таблица, което е същото като атом, отстранен от кристалната решетка и образуващ празно място. Суперсплавите Ni 3 Al и Ni 3 Al днес се използват широко като топлоустойчиви материали при температури до 1000°C. Подобни суперсплави на основата на кобалт имат малко по-ниска якост, но я запазват до температура от 1100°C. Допълнителни перспективи са свързани с производството на интерметални съединения на Ti. Al и T i 3 A l в тяхната чиста форма. Частите, изработени от тях, са с 40% по-леки от същите части, изработени от суперсплав на никел.
Сплави с лесна деформируемост при натоварване. Методът за създаване на такива метални материали е да се създаде структура с много малки кристалитни зърна. Зърната с размери по-малки от 5 микрона се плъзгат едно върху друго при натоварване без разрушаване. Проба, състояща се от такива зърна, може да издържи относително напрежение Δ l / l 0 = 10 без разрушаване, т.е. дължината на пробата се увеличава с 1000% от първоначалната дължина. Това е ефектът на свръхпластичността. Това се обяснява с деформацията на връзките в контактите на зърната, т.е. голям брой повърхностни дефекти. Свръхпластичният метал може да се обработва почти като пластилин, придавайки му желаната форма, след което част, изработена от такъв материал, се термично обработва, за да се увеличат зърната и бързо се охлажда, след което ефектът на суперпластичността изчезва и частта се използва за предназначение. Основната трудност при производството на свръхпластични метали е постигането на фина зърнеста структура.
Удобно е да се получи никелов прах чрез метода на излугване, при който Al-Ni сплавта се раздробява с помощта на Na алкали. OH извличат алуминий, за да произведат прах с диаметър на частиците около 50 nm, но тези частици са толкова химически активни, че се използват като катализатор. Действието на праха е обяснено голям бройповърхностни дефекти - скъсани химични връзки, способни да прикрепят електрони от адсорбирани атоми и молекули. Схема на бърза кристализация на метална стопилка, напръскана в центрофуга: 1 - охлаждащ газ; 2 - стопилка; 3 - струя стопилка; 4 - малки частици; 5 - въртящ се диск Схема на динамично пресоване на метални прахове: 1 - снаряд, 2 - прах, 3 - матрица, 4 - цев на пистолет
Метод на лазерно остъкляване. Терминът е заимстван от производството на порцелан (керамика). Използвайки лазерно лъчение, тънък слой върху металната повърхност се разтопява и се прилага бързо охлаждане със скорости от порядъка на 10 7 K/s. Граничният случай на свръхбързо втвърдяване е производството на аморфни метали и сплави - метални стъкла.
Свръхпроводящи метали и сплави Материал Al V In Nb Sn Pb Nb 3 Sn Nb 3 Ge Т с, К 1, 19 5, 4 3, 4 9, 46 3, 72 7, 18 18 21. . . 23 През 1911 г. в Холандия Kamerlingh Onnes открива намаляване на съпротивлението на живака при точката на кипене на течния хелий (4,2 K) до нула! Преходът към свръхпроводящо състояние (ρ = 0) настъпва рязко при определена критична температура Tc. До 1957 г. феноменът на свръхпроводимостта няма физическо обяснение, въпреки че светът е зает с търсене на все повече и повече нови свръхпроводници. Така до 1987 г. са известни около 500 метала и сплави с различни стойности на Tc. Ниобиевите съединения имат най-висок Tc.
Непрекъснат ток. Ако електрически ток се възбуди в метален пръстен, тогава с нормален, например, стайна температурабързо избледнява, тъй като протичането на ток е придружено от топлинни загуби. При T ≈ 0 в свръхпроводник токът става незатихващ. При един от експериментите токът циркулира в продължение на 2,5 години, докато не бъде спрян. Тъй като токът протича без съпротивление и количеството топлина, генерирано от тока, е Q = 0,24 I 2 Rt, тогава в случай на R = 0 просто няма топлинни загуби. В свръхпроводящия пръстен няма радиация поради квантуване. Но в един атом импулсът и енергията на един електрон са квантувани (приемат дискретни стойности), а в пръстен токът, т.е. целият набор от електрони, е квантован. Така имаме пример за кооперативно явление - движението на всички електрони в твърдо тяло е строго координирано!
Ефектът на Майснер Открит през 1933 г. Същността му се състои във факта, че външно магнитно поле при T< Т с не проникает в толщу сверхпроводника. Экспериментально это наблюдается при Т=Т с в виде выталкивания сверхпроводника из магнитного поля, как и полагается диамагнетику. Этот эффект объясняется тем, что в поверхностном слое толщиной 0, 1 мкм внешнее магнитное поле индуцирует постоянный ток, но тепловых и излучательных потерь нет и в результате вокруг этого тока возникает постоянное незатухающее магнитное поле. Оно противоположно по направлению внешнему полю (принцип Ле-Шателье) и экранирует толщу сверхпроводника от внешнего магнитного поля. При увеличении Н до некоторого значения Н с сверхпроводимость разрушается. Значения Н с лежат в интервале 10 -2 . . . 10 -1 Т для различных сверхпроводников. http: //www. youtube. com/watch? v=bo 5XTURGMTM
Ако нямаше ефект на Майснер, проводникът без съпротивление би се държал различно. При преминаване към състояние без съпротивление в магнитно поле, той ще поддържа магнитно поле и ще го запази дори когато външното магнитно поле бъде премахнато. Би било възможно да се демагнетизира такъв магнит само чрез повишаване на температурата. Това поведение обаче не е наблюдавано експериментално.
В допълнение към разглежданите свръхпроводници, наречени свръхпроводници от първи род, са открити свръхпроводници от втори род (А. В. Шубников, 1937; А. Абрикосов, 1957). При тях външно магнитно поле при достигане на определено H c1 прониква в пробата и електроните, чиито скорости са насочени перпендикулярно на H, започват да се движат в кръг под въздействието на силата на Лоренц. Появяват се вихрови нишки. „Стволът” на нишката се оказва несвръхпроводящ метал и около него се движат свръхпроводящи електрони. В резултат на това се образува смесен свръхпроводник, състоящ се от две фази - свръхпроводяща и нормална. Само когато се достигне друга, по-висока стойност на Hc, 2-те нишки, разширявайки се, се приближават една до друга и свръхпроводящото състояние е напълно унищожено. Стойностите на Нс2 достигат 20. . . 50 T за такива свръхпроводници като Nb 3 Sn и Pb. Mo 6 O 8 съответно.
Структурна схема на Джоузефсон: 1-диелектричен слой; 2-свръхпроводници Структурата се състои от два свръхпроводника, разделени от тънък диелектричен слой. Тази структура е разположена при определена потенциална разлика, определена от външното напрежение V. От теорията, разработена от Фейнман, изразът за тока I, протичащ през структурата, следва: I= I 0 sin [(2e. V/h)t+ φ 0 ], където I 0 = 2Kρ/ h (K е константата на взаимодействие на двата свръхпроводника в структурата на Джоузефсън; ρ е плътността на частиците, пренасящи свръхпроводящия ток). Величината φ 0 = φ 2 - φ 1 се разглежда като фазовата разлика между вълновите функции на електроните в контактни свръхпроводници. Вижда се, че дори при липса на външно напрежение (V = 0) през контакта протича постоянен ток. Това е стационарният ефект на Джоузефсън. Ако поставим джозефсонова структура в магнитно поле, тогава магнитният поток Ф предизвиква промяна в Δ φ и в резултат получаваме: I= I 0 sinφ 0 cos (Ф / Ф 0), където Ф 0 е магнитното квант на потока. Стойността на Ф 0 = h с/е е равна на 2,07·10 -11 T cm 2. Такава малка стойност на Ф 0 позволява производството на свръхчувствителни измерватели на магнитно поле (магнитометри), които откриват слаби магнитни полета от биотоковете на мозъка и сърцето.
Уравнението I= I 0 sin [(2e. V/h)t+ φ 0 ] показва, че в случай на V ≠ 0 токът ще осцилира с честота f =2 e. V/h. Числено, f попада в микровълновия диапазон. По този начин контактът на Джоузефсън ви позволява да създавате променлив ток, като използвате постоянна потенциална разлика. Това е нестационарният ефект на Джоузефсън. Променлив ток на Джоузефсон, точно като обикновен ток в осцилаторна верига, ще излъчва електромагнитни вълни и това излъчване всъщност се наблюдава експериментално. За висококачествени контакти Josephson S - I - S дебелината на диелектричния слой I трябва да бъде изключително малка - не повече от няколко нанометра. В противен случай константата на свързване K, която определя тока I0, е силно намалена. Но тънкият изолационен слой се разгражда с времето поради дифузията на атоми от свръхпроводящи материали. В допълнение, тънкият слой и значителната диелектрична проницаемост на неговия материал водят до голям електрически капацитет на структурата, което ограничава нейното практическо използване.
Основни качествени представи за физиката на явлението свръхпроводимост. Механизъм на образуване на двойки Купър Нека разгледаме двойка електрони e 1 и e 2, които се отблъскват от взаимодействието на Кулон. Но има и друго взаимодействие: например електрон e 1 привлича един от йоните I и го измества от равновесното положение. Йонът I създава електрическо поле, което действа върху електроните. Следователно неговото изместване ще засегне други електрони, например e 2. По този начин взаимодействието на електрони e 1 и e 2 се осъществява през кристалната решетка. Електронът привлича йон, но тъй като Z 1 > Z 2, електронът, заедно с йонната "обвивка", има положителен заряд и привлича втори електрон. При T > T s топлинно движениезамъглява йонното „палто“. Изместването на йон е възбуждането на решетъчните атоми, т.е. нищо повече от раждането на фонон. По време на обратния преход се излъчва фонон и се абсорбира от друг електрон. Това означава, че взаимодействието на електроните е обмен на фонони. В резултат на това целият сбор от електрони в твърдото тяло се оказва свързан. Във всеки даден момент един електрон е по-силно свързан с един от електроните в този колектив, т.е. целият електронен колектив изглежда се състои от електронни двойки. В рамките на една двойка електроните са свързани с определена енергия. Следователно само тези влияния, които преодоляват свързващата енергия, могат да повлияят на тази двойка. Оказва се, че обикновените сблъсъци променят енергията с много малко количество и това не засяга електронната двойка. Следователно електронните двойки се движат в кристала без сблъсъци, без разсейване, т.е. съпротивлението на тока е нула.
Практическо приложение на нискотемпературни свръхпроводници. Свръхпроводящи магнити, изработени от тел от свръхпроводяща сплав Nb 3 Sn. Понастоящем вече са създадени свръхпроводящи соленоиди с поле от 20 T, отговарящи на формулата M x Mo 6 O 8, където металните атоми са Pb, Sn, Cu, Ag и др най-високото магнитно поле (приблизително 40 T), получено в Pb соленоид. Mo 6 O 8. Колосалната чувствителност на Джоузефсоновите връзки към магнитно полепослужи като основа за използването им в инструментостроенето, медицинското оборудване и електрониката. SQUID е свръхпроводящ квантов сензор за смущения, използван за магнитоенцефалография. За ефекта на Майснер в редица изследователски центрове различни държавиработи се върху магнитна левитация - „висене“ над повърхността за създаване на високоскоростни влакове с магнитна левитация. Индукционни устройства за съхранение на енергия под формата на верига с незатихващ ток и електропреносни линии (EPL) без загуби през свръхпроводящи проводници. Магнитохидродинамични (МХД) генератори със свръхпроводящи намотки. Те имат ефективност на преобразуване на топлинната енергия в електрическа от 50%, докато за всички останали централи тя не надвишава 35%.
Дефекти кристална структураРеални метали, които се използват като структурни
материали, състоящи се от голям бройкристали с неправилна форма. Тези
кристали
наречен
зърна
или
кристали,
А
структура
поликристални или гранулирани. Съществуващи производствени технологии
следователно металите не позволяват получаването им с идеална химическа чистота
истинските метали съдържат примесни атоми. Примесните атоми са
един от основните източници на дефекти в кристалната структура. IN
В зависимост от химичната си чистота металите се делят на три групи:
химически чист - съдържание 99,9%;
висока чистота - съдържание 99,99%;
свръхчист - съдържание 99.999%.
Атомите на всякакви примеси са рязко различни по размер и структура
се различават от атомите на основния компонент, така че силовото поле около
такива атоми са изкривени. Около всички дефекти се появява еластична зона.
изкривяване на кристалната решетка, която е балансирана по обем
кристал в съседство с дефект в кристалната структура.
присъщи на всички метали. Тези нарушения на идеалната структура на твърдите тела
имат значително въздействие върху техните физически, химични,
технологични и експлоатационни свойства. Няма полза
идеи за дефекти в реални кристали, е невъзможно да се изследват явленията
пластична деформация, втвърдяване и разрушаване на сплави и др. Дефекти
Кристалната структура може да бъде удобно класифицирана според тяхната геометрия
форма и размер:
повърхност (двумерни) са малки само в една посока и имат
плоска форма - това са границите на зърната, блоковете и близнаците, границите на домейните;
точка (нулево-мерни) са малки и в трите измерения, техните размери не са
повече от няколко атомни диаметъра са свободни места, интерстициални атоми,
примесни атоми;
линейни (едномерни) са малки в две посоки, а в третата
посока те са съизмерими с дължината на кристала - това са дислокации, вериги
ваканции и интерстициални атоми;
обемни (триизмерни) имат и в трите измерения относително
големи размери означават големи нееднородности, пори, пукнатини и др.; Повърхностните дефекти са интерфейси
между отделни зърна или подзърна в поликристален метал, до
Това също включва дефекти в „опаковането“ на кристалите.
Границата на зърното е повърхност, от двете страни на която
кристалните решетки се различават по пространствена ориентация. това
повърхността е двуизмерен дефект със значителни размери
две измерения, а в третото - размерът му е сравним с атомен. Граници на зърното
- това са зони с висока дислокационна плътност и непоследователност
структура на съседни кристали. Атомите по границите на зърната са се увеличили
енергия в сравнение с атомите вътре в зърната и, като следствие, повече
склонни да влизат в различни взаимодействияи реакции. На границите на зърната
няма подредено подреждане на атомите. На границите на зърната по време на кристализацията на метала те се натрупват
образуват се различни примеси, дефекти, неметални включвания,
оксидни филми. В резултат на това металната връзка между зърната се прекъсва
и здравината на метала намалява. В резултат на нарушената гранична конструкция
отслабват или укрепват метала, което води съответно до
междукристален (междузърнест) или трансгрануларен (по протежение на тялото на зърното)
унищожаване. Под въздействието на високи температури металът има тенденция да се редуцира
повърхностна енергия на границите на зърното поради растеж и свиване на зърното
дължината на техните граници. При химическо излагане на границите на зърната
се оказват по-активни и в резултат на това корозионно разрушаване
започва от границите на зърната (тази характеристика е в основата на микроанализа
метали при производството на полирани профили).
Има и друг източник на изкривяване на повърхността на кристала
метална конструкция. Металните зърна са взаимно неправилно ориентирани на няколко
градуса, фрагментите са неправилно ориентирани с минути, а блоковете, които съставляват
фрагмент, взаимно неправилно ориентиран само за няколко секунди. Ако
разгледайте зърното при голямо увеличение, оказва се, че вътре в него
Има зони, неправилно ориентирани една спрямо друга под ъгъл от 15"...30".
Тази структура се нарича блок или мозайка, а областите се наричат блокове
мозайки. Свойствата на металите ще зависят както от размерите на блоковете и зърната, така и от
и върху тяхната взаимна насоченост. Ориентираните блокове се комбинират в по-големи фрагменти
чиято обща ориентация остава произволна, следователно всички зърна
неправилно ориентирани един спрямо друг. С повишаване на температурата
неправилната ориентация на зърната се увеличава. Топлинен процес, причиняващ разделяне на зърната
на фрагменти се нарича полигонизация.
Разликата в свойствата в зависимост от посоката в металите е
името е анизотропия. Анизотропията е характерна за всички вещества с
кристална структура. Следователно зърната са разположени произволно в обема
Има приблизително еднакъв брой атоми в различни посоки и
свойствата остават същите, това явление се нарича квазианизотропия
(невярно – анизотропия). Точковите дефекти са малки в три измерения и размери
приближава точката. Един от честите дефекти е
празни места, т.е. място, което не е заето от атом (дефект на Шотки). За заместване на свободна позиция
възел, нов атом може да се премести и по него се образува празно място - "дупка".
квартал. С повишаване на температурата концентрацията на свободни места се увеличава. И така
като атоми. разположен близо до повърхността. може да излезе на повърхността
кристал. и атомите ще заемат тяхното място. разположени по-далеч от повърхността.
Наличието на свободни места в решетката придава подвижност на атомите. тези. им позволява
преминават през процеса на самодифузия и дифузия. и по този начин осигурява
влияние върху процеси като стареене, освобождаване на вторични фази и др.
Други точкови дефекти са разместени атоми
(дефект на Френкел), т.е. атоми от собствен метал, напускащи възела
решетка и се проведе някъде в междувъзлията. В същото време на място
движейки се атом, се образува ваканция. Концентрацията на такива дефекти
малък. защото образуването им изисква значителен разход на енергия. Всеки метал съдържа чужди примесни атоми. IN
В зависимост от естеството на примесите и условията, при които попадат в метала, те могат
са разтворени в метала или съществуват под формата на отделни включвания. включено
свойствата на метала са най-силно повлияни от чужди разтворени
примеси, чиито атоми могат да бъдат разположени в кухините между атомите
неблагородни метали - интерстициални атоми или в местата на кристалната решетка
неблагородни метали - заместващи атоми. Ако примесните атоми са значително
по-малко атоми на основни метали, тогава те образуват интерстициални разтвори и ако
повече - тогава те образуват заместващи разтвори. И в двата случая решетката става
дефектен и неговите изкривявания влияят на свойствата на метала. Линейните дефекти са малки в две измерения, но в третото могат
достигат дължината на кристала (зърното). Линейните дефекти включват вериги
свободни позиции. интерстициални атоми и дислокации. Дислокациите са особени
вид несъвършенства в кристалната решетка. От гледна точка на дислокационната теория
разглеждат се якостни, фазови и структурни трансформации. Луксация
наречено линейно несъвършенство, което образува зона вътре в кристала
смяна Теорията на дислокациите е приложена за първи път в средата на тридесетте години
Физиците от 20-ти век Оруан, Поляни и Тейлър, за да опишат процеса
пластична деформация на кристални тела. Използването му е разрешено
обяснете естеството на якостта и пластичността на металите. Дислокационната теория даде
способността да се обясни огромната разлика между теоретично и практическо
якост на металите.
Основните видове дислокации включват ръб и винт. Регионален
се образува луксация, ако доп
полуравнина на атомите, която се нарича екстраравнина. Нейното предимство е 1-1
създава линеен дефект на решетката, наречен дислокация на ръба.
Традиционно се приема, че луксацията е положителна, ако е в горната част
част от кристала и се обозначава със знака “ ”, ако дислокацията е разположена на дъното
части - минус „Т“. Разместванията на един и същи знак се отблъскват взаимно и
обратното – привличат. Под влияние на напрежението на ръба
една дислокация може да се движи през кристала (по равнината на срязване), докато
ще достигне границата на зърното (блока). Това създава стъпка с размер на
едно междуатомно разстояние. Пластмасовото срязване е следствие
постепенно движение на дислокации в равнината
смяна Разпространение на плъзгане по равнина
плъзгането става последователно. Всеки
елементарният акт на преместване на дислокация от
една позиция в друга се постига от
разкъсване само на един вертикален атом
самолет. За преместване на дислокации е необходимо
значително по-малко сила, отколкото за хард
изместване на една част от кристала спрямо друга в равнината на срязване. При
движение на дислокация по посока на срязване през целия кристал
има изместване на горната и долната му част само с един междуатомен
разстояние. В резултат на движението дислокацията излиза на повърхността
кристал и изчезва. На повърхността остава плъзгаща се стъпка. Дислокация на винта. Образува се от непълно изместване на кристала по дължината
плътност Q. За разлика от ръбовата дислокация, винтовата дислокация
успоредно на вектора на изместване.
Дислокациите се образуват по време на кристализацията на металите по време на
„колапс“ на група свободни места, както и в процеса на пластична деформация
и фазови трансформации. Важна характеристикадислокационна структура
са плътността на дислокациите. Плътността на дислокация се разбира като
обща дължина на дислокация l (cm) на единица обем V
кристал (cm3). Така. размер на дислокационната плътност, cm-2. U
закалени метали - 106...108 cm-2. При студена пластмаса
деформация, плътността на дислокациите нараства до 1011...1012 cm-2. повече
високата плътност на дислокация води до появата на микропукнатини и
разрушаване на метала.
В близост до линията на дислокация атомите се изместват от
местата им и кристалната решетка се изкривява, което
предизвиква образуването на поле на напрежение (над линията
дислокации, решетката се компресира, а отдолу се разтяга).
Стойността на единица преместване на равнини
характеризиращ се с вектора на Burger b, който
отразява как абсолютна стойностсмяна и неговата
посока. Смесена дислокация. Разместването не може да завърши вътре
кристал, без да се свързва с друга дислокация. Това следва от факта, че
дислокацията е границата на зона на срязване и винаги има зона на срязване
затворена линия и част от тази линия може да минава по външната
кристална повърхност. Следователно линията на дислокация трябва да се затвори
вътре в кристала или край на повърхността му.
Когато се образува границата на зоната на срязване (линия на дислокация abcdf).
прави участъци, успоредни и перпендикулярен на векторасмяна, и
по-общ случай на извита дислокационна линия gh. В раздели av, cd и
ef е ръбова дислокация, а в участъците all и de има винтова дислокация. Отделно
участъци от извита линия на дислокация имат ръб или винт
ориентация, но част от тази крива не е нито перпендикулярна, нито успоредна
вектор на срязване, като в тези зони има смесена дислокация
ориентация. Пластичната деформация на кристалните тела е свързана с количеството
дислокации, тяхната ширина, подвижност, степен на взаимодействие с дефекти
решетки и т. Естеството на връзката между атомите влияе върху пластичността
кристали. Така в неметалите с техните твърди насочени връзки
дислокациите са много тесни, изискват големи напрежения, за да започнат - в 103
пъти повече, отколкото при металите. В резултат на крехко счупване на неметалите
настъпва по-рано от смяната.
Основната причина за ниската якост на истинските метали е
наличието на дислокации и други несъвършенства в структурата на материала
кристална структура. Получаване на кристали без дислокации
води до рязко повишаване на якостта на материалите.
Левият клон на кривата съответства на творението
перфектен
без изкълчване
нишковидни
кристали (т.нар. “мустаци”), сила
което е близко до теоретичното. С ограничени
плътност на дислокация и други изкривявания
кристален
решетки
процес
смяна
възниква толкова по-лесно, колкото повече изкълчвания има
разположени в по-голямата част от метала. Една от характеристиките на дислокацията е векторът на изместване - вектор
бургери. Векторът Burgers е допълнителен вектор, който се нуждае
вкарайте в контура, описан около дислокацията, за да затворите
съответната верига в решетката на идеален кристал, отворена
поради наличието на дислокация. Контур, начертан по решетка около областта, в
който има дислокация ще се окаже отворен (контур на Бюргерс). празнина
контурът характеризира сумата от всички еластични премествания на решетката, натрупани в
зоната около дислокацията е векторът на Бюргерс.
За ръбова дислокация векторът на Бюргерс е перпендикулярен, а за винтова дислокация
дислокация – успоредна на линията на дислокация. Векторът на Бъргерс е мярка
изкривяване на кристалната решетка поради наличието в нея
дислокации. Ако дислокация е въведена в кристала чрез чисто срязване, тогава векторът
отместване и е векторът на Бъргерс. Очертанията на бургери може да са изместени
по протежение на линията на дислокация, опъната или компресирана в посока, перпендикулярна на
дислокационни линии, докато величината и посоката на вектора на Бюргерс
остават постоянни. С нарастването на напрежението броят на източниците на дислокация в
метал и тяхната плътност се увеличава. В допълнение към паралелните дислокации
възникват дислокации в различни равнини и посоки. Луксации
влияят взаимно, предотвратяват взаимното смесване, техните
анихилация (взаимно унищожение) и т.н. (което позволи на Дж. Гордън образно
наричаме тяхното взаимодействие в процеса на пластична деформация „интимно“
живот на дислокациите“). Тъй като плътността на дислокациите се увеличава, тяхното движение
става все по-трудно, което налага увеличаване на прилаганите
натоварване за продължаване на деформацията. В резултат на това металът се укрепва, което
съответства на десния клон на кривата.
Дислокациите, заедно с други дефекти, участват във фазовите преходи.
трансформации, рекристализация, служат като готови центрове по време на утаяване
втората фаза от твърд разтвор. По дължината на дислокациите скоростта на дифузия е
няколко порядъка по-високи, отколкото през кристална решетка без дефекти.
Дислокациите служат като място за концентрация на примесни атоми, особено
интерстициални примеси, тъй като това намалява изкривяването на решетката. Ако под въздействието на външни сили в метала възникнат дислокации,
тогава еластичните свойства на метала се променят и влиянието започва да се отразява
знак за първоначална деформация. Ако металът е подложен на слаб
пластична деформация от товар със същия знак, след това при промяна на знака
натоварване, намаляване на устойчивостта на първоначалната пластмаса
деформации (ефект на Баушингер).
Дислокации, възникващи по време на първичната причина за деформация
появата на остатъчни напрежения в метала, които, когато се комбинират с
работните напрежения, когато знакът на товара се промени, причиняват намаляване
граница на провлачване. С увеличаване на началните пластични деформации
степента на намаляване на механичните характеристики се увеличава.
Ефект
Баушингер
очевидно
се проявява
при
незначителен
начален
студено втвърдяване
Кратко
ваканция
занитен
материали
елиминира всички прояви
Ефект на Баушингер. Ефект
е значително отслабена от
множество
цикличен
товари
материал
с
наличие на малка пластмаса
деформации с различни знаци. Всички горепосочени дефекти в кристалната структура водят до
появата на вътрешни напрежения. По обем къде са
са балансирани, разграничават се напрежения от 1-ви, 2-ри и 3-ти вид.
Вътрешните напрежения от първи вид са зонални напрежения,
възникващи между отделни секционни зони или между отделни
части части. Те включват топлинни напрежения, които се появяват
с ускорено нагряване и охлаждане при заваряване и термична обработка.
Вътрешни напрежения от втори вид – възникват вътре в зърното или между него
съседните зърна се дължат на дислокационната структура на метала.
Вътрешни напрежения от трети вид - възникват вътре в обем на ордера
няколко елементарни клетки; основният източник е точка
дефекти.
Вътрешните остатъчни напрежения са опасни, защото
добави към текущите работни напрежения и може да доведе до
преждевременно разрушаване на структурата.
Дефектите в кристалите се разделят на:
Нулево измерение
Едномерен
Двуизмерен
Точкови дефекти (нулевомерни) - нарушение на периодичността в изолирани една от друга точки на решетката; и в трите измерения те не надвишават едно или повече междуатомни разстояния (параметри на решетката). Точковите дефекти са празни места, атоми в междинни пространства, атоми в места на „чужда” подрешетка, примесни атоми в места или междинни пространства.
Свободни работни места– липса на атом или йон в мястото на кристалната решетка; Внедреноили интерстициаленатомите или йоните могат да бъдат както присъщи, така и примесни атоми или йони, които се различават от основните атоми по размер или валентност. Заместващи примесизаместват частиците на основното вещество в решетъчните възли.
Линеен(едномерни) дефекти – Основните линейни дефекти са дислокации. Априорната концепция за дислокации е използвана за първи път през 1934 г. от Orowan и Theiler в тяхното изследване на пластичната деформация на кристални материали, за да обясни голямата разлика между практическата и теоретичната якост на метала. Луксация– това са дефекти в кристалната структура, представляващи линии, по протежение и в близост до които е нарушено правилното разположение на атомните равнини, характерни за кристала.
Повърхностни дефекти на кристалната решетка.Дефектите на повърхностната решетка включват грешки при подреждане и граници на зърната.
Заключение: Всички видове дефекти, независимо от причината за възникването им, водят до нарушаване на равновесното състояние на решетката и увеличават нейната вътрешна енергия.
Слайд 1
Идеални кристали, в които всички атоми биха били в позиции с минимална енергия, практически не съществуват. Отклоненията от идеалната решетка могат да бъдат временни или постоянни. Временни отклонения възникват, когато кристалът е изложен на механични, топлинни и електромагнитни вибрации, когато поток от бързи частици преминава през кристала и т.н. Постоянните несъвършенства включват:
Слайд 2
точкови дефекти (интерстициални атоми, ваканции, примеси). Точковите дефекти са малки и в трите измерения, размерите им във всички посоки са не повече от няколко атомни диаметъра;
Слайд 3
линейни дефекти (дислокации, вериги от ваканции и интерстициални атоми). Линейните дефекти имат атомни размери в две измерения, а в третото са със значително по-големи размери, които могат да бъдат съизмерими с дължината на кристала;
Слайд 4
плоски или повърхностни дефекти (граници на зърната, граници на самия кристал). Повърхностните дефекти са малки само в едно измерение;
Слайд 5
обемни дефекти или макроскопични нарушения (затворени и отворени пори, пукнатини, включвания на чужди тела). Обемните дефекти имат относително големи размери, несъизмерими с атомния диаметър, във всичките три измерения.
Слайд 6
Както интерстициалните атоми, така и свободните места са дефекти на термодинамичното равновесие: при всяка температура има много определен брой дефекти в кристалното тяло. Винаги има примеси в решетките, тъй като съвременни методиКристалните пречиствания все още не позволяват да се получат кристали със съдържание на примесни атоми по-малко от 10 cm-3. Ако атом на примес замества атом на основното вещество в място на решетката, той се нарича заместващ примес. Ако примесен атом се въведе в интерстициално място, той се нарича интерстициален примес.
Слайд 7
Свободното място е липсата на атоми в местата на кристалната решетка, „дупки“, които са се образували в резултат на различни причини. Образува се при прехода на атомите от повърхността към средаили от възли на решетката към повърхността (граници на зърната, кухини, пукнатини и др.), в резултат на пластична деформация, когато тялото е бомбардирано с атоми или високоенергийни частици. Концентрацията на свободните места до голяма степен се определя от телесната температура. Отделни свободни позиции могат да се срещат и комбинират в отделни позиции. Натрупването на много празни места може да доведе до образуване на пори и празнини.