ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ»

>ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  КАФЕДРА  «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И  МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ» Составители: Л.И. Попова, ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ» Составители: Л.И. Попова, П.В. Лошкарев, Ю.Н. Слоневский Дополнения выполнены Богдановой Н.В. Модуль I: АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

>Материаловедение, как наука,  изучает взаимосвязь между строением и свойствами материалов (металлических, неметаллических, композиционных) Материаловедение, как наука, изучает взаимосвязь между строением и свойствами материалов (металлических, неметаллических, композиционных) Металловедение - наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами. У истоков металловедения стояли два крупных российских ученых: Павел Петрович Амосов и Дмитрий Константинович Чернов. Павел Петрович Амосов стал основоположником методов макроскопического и микроскопического исследований структуры. В 1840г. им был создан специальный металлографический микроскоп для исследований микроструктуры металлов. Этот микроскоп, в отличие от биологического, работает с отраженными от поверхности лучами света. Занимался созданием высококачественной легированной стали, также ему принадлежит разработка процесса газовой цементации. Дмитрий Константинович Чернов (1839-1921) установил, что при изменении температуры сталь меняет свои свойства и проходит полиморфические превращения. Заложил научные основы термообработки, установил оптимальные температурные интервалы проведения процессов ковки. Д.К.Чернов провел огромную работу по изучению строения стальных слитков, ему принадлежат основополагающие идеи изучения процессов кристаллизации сплавов. Работы Амосова П. П., Чернова Д. К. легли в основу производства стальной брони Александр Павлович Гуляев (1908 - 1998 ), более 40 лет являлся главным редактором журнала «МиТОМ», автор создания «Ассоциации металловедов России», автор 15 книг и 400 статей. Известен всему шахматному миру под именем «Александр Грин» - победитель многих всемирных шахматных олимпиад, шахматный композитор. Автор ряда монографий. Известны его работы о хрупком разрушении стали

>Схемы световых микроскопов: а) биологического, б) металлографического Схемы световых микроскопов: а) биологического, б) металлографического

>Соотношение понятий «структура» и «свойства» материалов   Свойства материалов:  Физические - Соотношение понятий «структура» и «свойства» материалов Свойства материалов: Физические - электропроводность, теплопроводность, теплоемкость… . Механические - прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость…. Технологические - обрабатываемость, ковкость, жидкотекучесть. Механические свойства - параметры материала, которые дают информацию о его поведении под действием внешних механических нагрузок. Технологические свойства – параметры материала, которые дают информацию о мере способности этого материала обрабатываться тем или иным способом. Строение материалов (структура). Структура – взаимное расположение в объеме еме структурных составляющих. Различают 4 уровня структуры материалов:

>макроструктура сварного шва х 10 х 4  микроструктура стали 30  х 200х6 макроструктура сварного шва х 10 х 4 микроструктура стали 30 х 200х6 субструктура высокоугловой границы зерна, единичные дислокации, малоугловая граница х 20 000 х 6

>Три группы тел в зависимости от характера расположения в них атомов. Ближний и дальний Три группы тел в зависимости от характера расположения в них атомов. Ближний и дальний порядок. Все тела по характеру расположения и поведению атомов делят на три группы: 1. Тела с полностью неупорядоченным хаотичным расположением атомов (газообразные тела). Частицы хаотично движутся , отталкиваются одна от другой и газ стремится занять как можно больший объем. 2. Тела, атомы которых имеют ближний порядок, но в них отсутствует дальний порядок. Это аморфные тела и жидкости. Ближний порядок означает, что в пространстве закономерно расположено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема, но ближний порядок неустойчив, он то возникает, то исчезает под действием тепловых колебаний. Другими словами в этих телах в малой области около любой точки тела можно обнаружить некоторое упорядоченное расположение атомов, но, во-первых, порядок расположения атомов около двух точек, удаленных друг от друга, как правило, будет различным, во-вторых, порядок расположения атомов около какой-то одной точки меняется с течением времени. 3. Тела с полностью упорядоченным расположением атомов во всем теле, которое не изменяется с течением времени. Около любой точки в этих телах порядок в расположении атомов будет одинаков. Такие тела называются кристаллическими и говорят, что эти тела имеют кристаллическую решетку. Кристаллические тела – тела, в которых их простейшие составляющие элементы строго фиксировано и периодически расположены в объеме Аморфные тела – тела, в которых их простейшие составляющие элементы хаотично расположены в объеме.

>Межатомная связь в твердых телах.  Виды связи  По современным представлениям  атомы Межатомная связь в твердых телах. Виды связи По современным представлениям атомы состоят из ядра, вокруг которого на определенных энергетических уровнях (оболочках) находятся электроны. Ядро элемента несет положительный заряд (+Z*e) , где Z – порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева, е – заряд электрона Количество электронов также равно порядковому номеру Z, поэтому атом в нормальном состоянии является электронейтральным. Ядро атома занимает очень незначительную часть всего атома по объему. Размер ядра на 5 порядков меньше размера атома в целом. (D атома10 -8 см) (D ядра 10-13 см) В ядре сосредоточена вся масса атома, так как электроны имеют сравнительно небольшую массу Атомы простых веществ соединяются в молекулы или кристаллы, свойства которых определяются силами связи между отдельными атомами. Существуют 4 основных типа связи в твердых веществах. Ионная связь (классическая, кулоновская) Ковалентная связь Связь типа Ван-дер Вальса Металлическая связь

>Ионная   (классическая, кулоновская) связь    Возникает между ярко выраженными металлами Ионная (классическая, кулоновская) связь Возникает между ярко выраженными металлами (щелочными: Na, K) с одной стороны и галогенидами (Cl, I) с другой. Металл отдает внешний валентный электрон галогениду и становится анионом, галогенид завершает свою внешнюю электронную оболочку принятым электроном и становится катионом. Между разноименно заряженными ионами металла и галогенида, согласно Кулону, возникает связь, обусловленная электростатическим взаимодействием. Ионная связь- связь сильная, направленная. Представители: NaCl, KI. Ионная связь – это один из видов химической связи, в основе которой лежит электростатическое взаимодействие между противоположно заряженными ионами (NaCl)

>Ковалентная связь   Ковалентная связь - вид химической связи  осуществляется парой электронов Ковалентная связь Ковалентная связь - вид химической связи осуществляется парой электронов (по одному электрону от каждого атома), находящихся в общем владении двух атомов, реализующих связь. К. с. существует как в молекулах (в любых агрегатных состояниях), так и между атомами, образующими решетку кристалла. К. с. может связывать одинаковые атомы (в молекулах H2, Cl2, в кристаллах алмаза) или разные (в молекулах воды, в кристаллах карборунда SiC). Почти все виды основных связей в молекулах органических соединений являются ковалентными (С — С, С — Н, С — N и др.). К. с. очень прочны. Этим объясняется малая химическая активность парафиновых углеводородов. Простой ковалентной связью соединены атомы в молекулах простых газов (Н2, Cl2 и др.) и соединений (Н2О, NH3, CH4, СО2, HCl и др.) Кристаллы с ковалентной связью диэлектрики или полупроводники. Типичными примерами кристаллов , атомы в которых соединены между собой ковалентными связями могут служить алмаз, германий и кремний. Ковалентная связь на примере молекулы метана: законченный внешний энергетический уровень у водорода (H) — 2 электрона, а у углерода (C) — 8 электронов.

>Связи Ван-дер-Ваальса  Ван-дер-ваальсовы силы — силы межмолекулярного взаимодействия. Термин обычно применяется к силам, Связи Ван-дер-Ваальса Ван-дер-ваальсовы силы — силы межмолекулярного взаимодействия. Термин обычно применяется к силам, возникающим при поляризации молекул и образовании диполей. Связи Ван-дер-Ваальса слабые, направленные. Представители: вода, окись углерода (жидкости, газы). В молекуле воды атомы водорода имеют положительный заряд, а атом кислорода — отрицательный. Поскольку центры тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают, то распределение всего заряда в молекуле обладает дипольным моментом. Такая молекула называется полярной молекулой. Ван-дер-ваальсовое взаимодействие состоит из трех типов слабых взаимодействий: а) дисперсионное притяжение: электронное облако 1-го атома смещается в направлении ядра 2-го атома, в результате положительно заряженные ядра оказываются связанными расположенными между ними электроотрицательными электронными облаками; б) ориентационное притяжение: полярные молекулы (имеющие отрицательный и положительный полюса) располагаются как показано на рисунке. Между ними возникают связи, обусловленные электростатическим взаимодействием; в) Индукционное притяжение: электростатическое взаимодействие полярных молекул обусловливает возникновение магнитного поля, которое обеспечивает дополнительный фактор связи.

>Свойства металлов, обусловленные особенностями  металлической связи:  Свойства  металлов 1. Специфический Свойства металлов, обусловленные особенностями металлической связи: Свойства металлов 1. Специфический металлический блеск. 2. Пластичность. 3. Высокая электропроводность. 4. Высокая теплопроводность 5. Металлы, в отличие от проводников, обладают положительным термическим коэффициентом электросопротивления. 6. Металлы обладают свойствами термоэлектронной эмиссии. 7. Металлы обладают высокими акустическими свойствами. Что такое металлы: В химии – вещества, расположенные в левой части периодической системы Менделеева, которые вступая в химическую реакцию с неметаллами отдают им свои внешние валентные электроны. В технике под металлами понимают вещества, обладающие металлическим блеском и пластичностью (в отличие от неметаллов – дерева, камня, стекла или фарфора) Ломоносов : «металлы есть светлые тела, которые ковать можно» С точки зрения теории металлического состояния металл – это вещество, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных отрицательно заряженными частицами – электронами, слабо связанными с ядром. Эти электроны принадлежат не одному атому, а всей совокупности атомов. Эти электроны представляют из себя электронный газ, который непрерывно перемещается внутри металла и обуславливает наличие у металлов характерных свойств - электропроводности, теплопроводности и т.д.

>Металлическая связь Металлическая связь, это связь,  обусловленная взаимодействием  электронного газа (валентные электроны) Металлическая связь Металлическая связь, это связь, обусловленная взаимодействием электронного газа (валентные электроны) в металлах с каркасом положительно заряженных ионов кристаллич. решетки. Атомы металла обобществляют свои внешние валентные электроны, образуется общее электронное облако, объединяющие каркас из положительно заряженных ионов. В обобществлении, в отличие от ковалентной связи, участвует неограниченное число атомов. Эта связь сильная, ненаправленная.

>Атомно-кристаллическое строение металлов.  Кристаллическая решетка Состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное, ионизированное. Наиболее распространенная Атомно-кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка Состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное, ионизированное. Наиболее распространенная форма твердого состояния - кристаллическая: частицы, составляющие тело, строго упорядочено и периодически расположены в объеме. Атомно-кристаллическая структура – это взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Атомы в кристалле расположены в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки. Кристаллическая решетка – это воображаемая правильная пространственная сетка, в узлах которой находятся атомы. Кристаллическая решетка – пространственная сетка, в узлах которой расположены условные центры элементов кристаллической решетки . Элементарная ячейка (ЭЯ) кристаллической решетки – минимальный геометрический объем кристаллической решетки, поступательным перемещением которого вдоль 3-х главных осей пространства можно построить всю решетку. Элементарные ячейки подразделяются на простые и сложные. В простых ячейках атомы расположены только в вершинах ЭЯ Каждая ЭЯ характеризуется шестью параметрами (или периодами): а,b,c – длины ребер ЭЯ, альфа, бета, гамма - углы между ребрами

>Некоторые элементарные ячейки Э.я. гексагональной решетки Э.я. ГЦК-решетки Э.я. NaCl Э.я. алмаза Некоторые элементарные ячейки Э.я. гексагональной решетки Э.я. ГЦК-решетки Э.я. NaCl Э.я. алмаза

>Типы кристаллических решеток Гексагональная  Плотноупакованная (ГПУ) Объемноцентрированная Кубическая (ОЦК) Гранецентрированная Кубическая (ГЦК) Типы кристаллических решеток Гексагональная Плотноупакованная (ГПУ) Объемноцентрированная Кубическая (ОЦК) Гранецентрированная Кубическая (ГЦК)

>Параметры кристаллических решеток ОЦК  (К8)  а=б=с,  альфа=бета = гамма = 90о Параметры кристаллических решеток ОЦК (К8) а=б=с, альфа=бета = гамма = 90о n = 1 + 8/8 = 2 К = 8 К1 = 0,68 Rb, K, Na, Li, Tiβ, Tlβ, Zrβ, Ta, W, V, Feα, Cr, Nb, Ba, и др . Кроме шести параметров (а, в, с, альфа, бета, гамма) ЭЯ характеризуется еще тремя параметрами: N – число атомов, приходящихся на одну ЭЯ К - координационное число – число атомов, находящихся на одинаковом расстоянии от данного атома (число ближайших соседей) К1 – плотность упаковки, коэффициент заполнения К1= Vат / Vяч ГЦК (К12) а=b=с, альфа = бета = гамма = 90о n = 8*1/8+ 6*1/2 = 4 К = 12 К1=0,74 Cu, Al, Pt, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Feγ, Coα, Caα, Ce, Srα, Th, Sc и др. ГПУ (Г12) а=b ≠с альфа = бета = 90о гамма = 120о n=3+12*1/6+2*1/2=6 К = 12 К1=0,74 Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be, Coβ, Caα, Zrα, Laα, Tiα и др тетрагональная решетка. ребро с не равно ребру а . с/а - степень тетрагональности. при с/а = 1 кубическая решетка. . Тетрагональная решетка как и кубическая может быть простой, объемно центрированной гранецентрированной

>Аллотропия (полиморфизм)            Анизотропия Аллотропия (полиморфизм) Анизотропия Анизотропия – зависимость величины свойств от направления в кристаллической решетке. Анизотропия обусловлена различной плотностью упаковки атомов по различным направлениям и плоскостям кристаллической решетки. Кристалл – тело анизотропное в отличии от аморфных тел, свойства которых не зависят от направления. Изотропия – независимость свойств от направления в твердом теле Дилатометрическая кривая железа как иллюстрация полиморфизма Основные характеристики кристаллов (аллотропия, анизотропия) Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах, т.н. полиморфных (аллотропических) модификациях. Аллотропия (полиморфизм) – свойство кристаллов изменять тип кристаллической решетки при изменении внешних условий (температуры, давления). Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, при более высокой температуре β, затем γ и т.д.

>Индексы Миллера Анизотропия кристаллов предполагает необходимость обозначения атомных плоскостей и направлений. Наиболее распространена система, Индексы Миллера Анизотропия кристаллов предполагает необходимость обозначения атомных плоскостей и направлений. Наиболее распространена система, предложенная Миллером: Индекс Миллера – натуральное целое число, характеризующее плоскость или направление в кристаллической решетке. Плоскость обозначают индексами (h k ℓ), где h,k,l – должны быть минимально целыми числами, это отрезки, отсекаемые данной плоскостью от осей Х,Y и Z соответственно Для удобства индексации плоскость может быть перенесена параллельно самой себе так, чтобы она пересекала оси Х,Y и Z в пределах элементарной ячейки. С этими же целями допускается перенос центра координат в пределах элементарной ячейки; Отрицательные значения индексов обозначают чертой сверху (h k ℓ); Для определения индексов кристаллографической кристаллографической плоскости необходимо: · установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки; · взять обратные значения этих величин; · привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел. Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо: · одну точку направления совместить с началом координат; · установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки · привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целыж чисел. Направление обозначают индексами [ h k ℓ ], заключенными в квадратные скобки,где h k ℓ -индексы плоскости, перпендикулярной данному направлению. Заштрихованная плоскость перескает оси a, b, c в точках 1a, 2b, 3c. Индексы Миллера этой плоскости (632).

>Геометрическая классификация дефектов  кристаллического строения  В  реальных кристаллах  всегда имеются Геометрическая классификация дефектов кристаллического строения В реальных кристаллах всегда имеются отклонения в расположении атомов от идеальной кристаллической решетки. Эти отклонения являются дефектами кристаллической решетки. Дефекты классифицируются на: Точечные или нульмерные . Размеры этих дефектов во всех трех направлениях сравнимы с параметрами решетки (2-3 параметра) к ним относятся а) вакансии, б) межузельный атом, в) атомы примеси и др Линейные или одномерные дефекты. Их размер в двух направлениях сравним с параметрами решетки, а в третьем направлении много больше параметра решетки. К ним относятся дислокации, цепочки межузельных атомов, цепочки вакансий и др. Поверхностные или двухмерные дефекты, их размер в одном направлении сравним с параметром решетки, а в двух других много больше параметра решетки. К ним относятся границы зерен, блока, границы фаз и др. Трехмерные (объемные) дефекты Их размеры во всех трех направлениях много больше параметров решетки. К

>Схематическое изображение вакансии (1), межузельного  атома (2) и примесных атомов замещения (3) и Схематическое изображение вакансии (1), межузельного атома (2) и примесных атомов замещения (3) и внедрения (4) в плоскости (111) ГЦК-решетки Вакансия – свободное место в узле кристаллической решетки (точечный дефект Межузельный атом, образованный в результате перехода атома из узла в межузелье, на месте которого образуется вакансия. Вметалле очень трудно возникают межузельные атомы и основными точечными дефектами являются тепловые вакансии. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки, смещение вокруг вакансии возникают обычно в первых двух-трех слоях соседних атомов и составляют доли межатомного расстояния. Вокруг межузельного атома в ГПУ решетках смещение соседей значительно больше, чем вокруг вакансий

>Механизмы образования  вакансий Существует два механизма  образования вакансий: 1) механизм Шотки и Механизмы образования вакансий Существует два механизма образования вакансий: 1) механизм Шотки и 2) механизм Френкеля Механизм Шотки Механизм Шотки заключается в том, что атом, находящийся на поверхности кристалла слабее связан с кристаллом, чем атом, находящийся в объеме кристалла. Этот атом находящийся на поверхности кристалла получив избыток энергии, например, за счет тепловых колебаний, может покинуть кристалл. Тогда на поверхности образуется пустой узел. В этот пустой узел сравнительно свободно может перейти атом из соседнего узла, находящегося в объеме кристалла. Такой переход атома из объема кристалла в пустой узел на поверхности равносилен тому, что вакансия с поверхности ушла в объем кристалла. Путем таких последовательных переходов атома в соседние вакансии будет происходить растворение вакансии в объеме кристалла. Механизм Шотки требует небольшой энергии. Механизм Френкеля При интенсивном внешнем воздействии на кристалл, например, при облучении потоком частиц большой энергии или при пластической деформации кристалла атом, находящийся в объеме кристалла может быть выбит из узла кристаллической решетки и уйти в междоузлие. Таким образом, по механизму Френкеля образуется сразу два дефекта – вакансия и межузельный атом., которые называются «парой Френкеля». Ближайшие соседи в кристаллической решетке касаются друг друга, поэтому для того, чтобы выбить атом из узла кристаллической решетки требуется значительная энергия. Вакансии образуются не только в результате нагрева, но и в процессе пластической деформации, рекристаллизации и при бомбардировке металла или частицами высоких энергий.

>Равновесная концентрация вакансий Вакансия является термодинамически равновесным дефектом, это значит, что  при каждой Равновесная концентрация вакансий Вакансия является термодинамически равновесным дефектом, это значит, что при каждой температуре в кристалле будет находиться определенная концентрация вакансий, которая называется равновесной. Равновесная концентрация вакансий определяется по формуле Сv = А *е U/RT где Сv - равновесная концентрация вакансий А – постоянный множитель, близкий к единице е – основание натурального логарифма (е=2,71) U - энергия активации вакансий , то есть та энергия которая необходима для образования вакансий R - газовая постоянная Т – абсолютная температура Из формулы следует, что с повышением температуры концентрация вакансий увеличивается (чаще всего по механизму Шотки), при понижении температуры концентрация вакансий падает, при этом вакансии уходят либо по поверхности кристалла, либо по дефектам внутри кристалла (например, по дислокациям)

>Влияние вакансий на свойства  кристалла. Диффузия.    Вакансии оказывают  незначительное Влияние вакансий на свойства кристалла. Диффузия. Вакансии оказывают незначительное влияние на плотность кристалла , объем, электросопротивление и т.д.. Однако наличие вакансий предопределяет возможность диффузии. Диффузия – перемещения атомов на расстояния, превышающие параметры кристаллической решетки. Если перемещения не связаны с изменением концентрации в отдельных объемах, то такой процесс называется самодиффузией. Диффузия, сопровождающаяся изменением концентрации, происходит в сплавах или металлах с повышенным содержанием примесей и называется гетеродиффузией. Для осуществления акта диффузии атом должен преодолеть энергетический барьер, величину которого определяет энергия активации . Механизмы диффузии для примесей типа замещения (при rд.э./ rме> 0,59) 1. Механизм парного обмена, который заключается в том, что атом примеси и атом, находящийся в соседнем узле меняются местами 2. Механизм кольцевого обмена заключается в том, что одновременно меняются местами несколько атомов, в том числе, и атом примеси. Эти два механизма диффузии требуют значительной энергии и являются маловероятными. 3. Основным же механизмом диффузии атомов примеси замещения является вакансионный механизм. Он заключается в том, что если вакансия окажется с атомом примеси рядом, то атом примеси сравнительно легко переместится в соседний свободный пустой узел. Это равносильно перемещению вакансии в противоположном направлении. Поэтому при этом механизме направленному потоку атомов соответствует равновесный по величине и противоположный по направлению поток вакансий. При образовании твердых растворов внедрения (при rд.э./ rме≤ 0,59) реализуется механизм диффузии по междоузлиям

>Первый и второй  законы Фика Первый  закон Фика  - основной закон Первый и второй законы Фика Первый закон Фика - основной закон диффузии : Диффузионный поток пропорционален градиенту концентрации. Плотность потока вещества J [cm − 2s − 1] пропорциональна коэффициенту диффузии D [(cm2s − 1)] и градиенту концентрации. Е D = Dо ехр ( - ------- ) , где RT Е - экспериментально найденная величина активации диффузии, R – универстальная газовая постоянная, Do - константа Второй закон Фика. Если концентрация изменяется во времени, то процесс диффузии описывается вторым законом Фика: Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации dС/ dt = D*d2С / dх2 Диффузионный поток (J) - количество вещества, продиффундировавшего в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению диффузии): Движущая сила диффузии определяется градиентом химического потенциала (свободной энергии) диффундирующего элемента ¶m/ ¶х. dC D J = D ---- = ------ * (C1-C2) , где dx δ J - диффузионный поток , D - коэффициент диффузии, Δ δ - толщина слоя , С1 и С2 - концентрация углерода на границах слоя

>Дислокация – граница области незавершенного сдвига внутри кристалла Дислокации бывают краевые, винтовые,  смешанные, Дислокация – граница области незавершенного сдвига внутри кристалла Дислокации бывают краевые, винтовые, смешанные, полные , многократные, частичные. Представим себе, что в кристаллической решетке по каким – либо причинам (чаще всего под действием приложенной силы) появилась лишняя полуплоскость , так называемая экстраплоскость. Экстраплоскость – неполная атомная плоскость (полуплоскость), обрывающаяся внутри кристалла. Край 3-3 такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется краевой дислокацией. Краевые дислокации представляют собой область искажений кристаллической решетки вокруг края экстраплоскости Если экстраплоскость образуется в верхней части кристалла то дислокацию называют положительной и обозначают ╧, а если в нижней – то отрицательной и обозначают Т. Различие между положительной и отрицательной чисто условное. Знак важен при анализе их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного притягиваются, что приводит их к взаимному уничтожению. ДИСЛОКАЦИИ

>Модель положительной краевой  дислокации Модель винтовой дислокации  Винтовая дислокация как и краевая, Модель положительной краевой дислокации Модель винтовой дислокации Винтовая дислокация как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по плоскости Q . В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация параллельна вектору сдвига. Если винтовая дислокация образована движение по часовой стрелке, ее называют правой, а против часовой стрелки – левой. Виды дислокаций

>Вектор Бюргерса  Вокруг дислокаций создается поле искаженной  кристаллической решетки.  Мерой искаженности Вектор Бюргерса Вокруг дислокаций создается поле искаженной кристаллической решетки. Мерой искаженности решетки является вектор Бюргерса, характеризующий энергию дислокации и силы, действующие на нее Если вокруг дислокации обвести контур АВСД, то участок ВС будет состояит из 6 отрезков, а участок АД – из 5. Разница ВС – АД = в, где в означает величину вектора Бюргерса. Если контуром обвести несколько дислокаций, то величина его будет равна сумме векторов Бюргерса каждой дислокации Способность к перемещению дислокаций связана с величиной вектора Бюргерса. Вектор Бюргерса представляет собой разность параметров контуров вокруг центра дислокаций в реальной решетке, показывающую величину и направления сдвига в процессе скольжения. Вектор Бюргерса – вектор, замыкающий контур (Бюргерса), проведенный вокруг дефектного участка в кристалле, характеризует геометрию и энергию дислокаций Краевая дислокация – дислокация, к линии которой ее вектор Бюргерса перпендикулярен. Винтовая дислокация – дислокация, к линии которой ее вектор Бюргерса параллелен.

>Плотность дислокаций. Скольжение и переползание дислокаций Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций. Плотность дислокаций. Скольжение и переползание дислокаций Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций. Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокаций в см, приходящих на единицу объема V кристалла, см3. Согласно современным представлениям плотность дислокаций превышает миллион, они обладают легкой подвижностью, способностью к размножению. Переползание дислокации. Сама полуплоскость АВСД в кристалле остается неподвижной. Но если к краю полуплоскости АД будут подходить атомы, то край полуплоскости сместится вниз, а если к краю полуплоскости подойдут вакансии, то край полуплоскости сместится вверх. Переползание не требует действия внешней силы, как при скольжении, а осуществляется за счет диффузии атомов или вакансий. Скольжение дислокаций Вследствие искажений кристаллической решетки в районе дислокаций последняя легко смещается от нейтрального положения, а соседняя плоскость перейдя в промежуточное положение превратится в по экстраплоскость, образуя дислокацию вдоль краевых атомов. Мы видим таким образом, что дислокация может перемещаться (скользить) вдоль некоторой плоскости (плоскости скольжения), расположенной перпендикулярно экстраплоскости.

>Поверхностные дефекты Реальное строение металлического тела является поликристаллическим.  Кристаллы неправильной формы  в Поверхностные дефекты Реальное строение металлического тела является поликристаллическим. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом теле называются зернами. Различие отдельных зерен состоит в различной пространственной ориентации кристаллической решетки. Между зернами имеется пограничный слой с сильно искаженной структурой и высокой концентрацией атомно кристаллических дефектов. Такой пограничный слой между зернами называется границей, которая является поверхностным двуменрным дефектом (несовершенством) кристаллического строения Границы между зернами называют большеугловыми, так как кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы, достигающие десятков градусов. Атомы на границах зерен обладают повышенной энергией, что обуславливает протекание многих процессов по границам зерен. Диффузия вдоль границ зерен происходит с гораздо большей скоростью, чем в объеме зерна. Это объясняется тем, что высокоугловые границы содержат повышенную концентрацию вакансий и нарушений кристаллической решетки, что уменьшает энергию активации диффузии. Энергия активации вдоль границ составляет 0,5…0,7 от энергии активации в объеме зерна. Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов.

>Микроструктура железа как пример поликристаллического  строения. Микроструктура железа как пример поликристаллического строения.

>Субзерна. Малоугловая граница  Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границе субзерен. Зерно также не Субзерна. Малоугловая граница Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границе субзерен. Зерно также не является монолитным кристаллом, построенным из строго параллельных атомных слоев. Каждое зерно состоит из отдельных субзерен, образующие так называемую субструктуру. Субзерна разориентированы относительно друг друга от нескольких долей до единиц градусов – малоугловые границы. Субзерна имеют размеры (0,1-1 мкм) на один три порядка меньше размеров зерен. Сочленение субзерен друг с другом с сохранением правильной хотя искаженной кристаллической структуры происходит посредством дислокаций. Плотность дислокаций тем больше, чем больше угол разориентировки между субзернами. С увеличением угла разориентации субзерен и уменьшением их величины плотность дислокаций в металле повышается.