Скачать презентацию Промышленные материалы – это поликристаллические вещества, составные части Скачать презентацию Промышленные материалы – это поликристаллические вещества, составные части

дефекты1.ppt

  • Количество слайдов: 38

Промышленные материалы – это поликристаллические вещества, составные части которых имеют дефекты внутреннего строения, которые Промышленные материалы – это поликристаллические вещества, составные части которых имеют дефекты внутреннего строения, которые в свою очередь во многом определяют свойства материала. Поэтому учение о дефектах кристаллического строения является основой современных представлений о механизмах пластической деформации, упрочнения, разрушения и других процессов в металлических материалах. Исследование нарушений кристаллического строения металлических материалов и установление связи этих дефектов с процессами, происходящими в металлах и сплавах, и их свойствами - важнейшая задача современного металловедения.

Классификация дефектов кристаллического строения по геометрическим признакам их делят на • точечные (нульмерные) их Классификация дефектов кристаллического строения по геометрическим признакам их делят на • точечные (нульмерные) их размеры во всех трех измерениях по всем направлениям не больше нескольких межатомных расстояний , • линейные (одномерные) малы в двух измерениях, а в третьем могут иметь размеры, соизмеримые с размерами кристаллов, • поверхностные (двухмерные) малы только в одном измерении, • объемные (трехмерные). Точечные, линейные и поверхностные дефекты являются микроскопическими, т. к. минимум в одном измерении их протяженность соизмерима с межатомными расстояниями. В отличие от них объемные дефекты в атомном масштабе являются макроскопическими. Под дефектами кристаллического строения обычно понимают микроскопические дефекты.

Точечные дефекты кристаллической структуры 1) 2) 3) 4) 5) Типы нульмерных дефектов: Межузельный атом; Точечные дефекты кристаллической структуры 1) 2) 3) 4) 5) Типы нульмерных дефектов: Межузельный атом; Вакансия; Примесный атов внедрения; Примесный атом замещения: Различные комплексы этих дефектов.

• Вакансии и примесные атомы замещения могут находиться в любых узлах кристаллической решетки. • Вакансии и примесные атомы замещения могут находиться в любых узлах кристаллической решетки. • Межузельные атомы и примесные атомы внедрения располагаются преимущественно в тех межузлиях, которые более подходят по своим размерам.

Искажения решетки вокруг точечных дефектов Рис. 1. Образование вакансий в атомном кристалле: вакансия - Искажения решетки вокруг точечных дефектов Рис. 1. Образование вакансий в атомном кристалле: вакансия - Рис. 2. Образование междоузельного дефекта в атомном кристалле: центр сжатия. растяжения – межузельный атом. величина смещений вокруг межузельных атомов значительно больше, чем вокруг вакансий

Точечные дефекты кристаллической структуры Примесные дефекты замещения Примесные дефекты внедрения Точечные дефекты кристаллической структуры Примесные дефекты замещения Примесные дефекты внедрения

Термодинамика точечных дефектов F = U - TS , F – свободная энергия (min) Термодинамика точечных дефектов F = U - TS , F – свободная энергия (min) U – внутренняя энергия T – абсолютная температура S – энтропия n/N = e -Eo/k. T , n/N - равновесная концентрация вакансий N – число целых атомов k – постоянная Больцмана Eo – энергия вакансии Т, К 300 n/N 10 -19 700 10 -8 1100 1350 10 -5 10 -4

• энергия образования вакансии в ГЦК решетке меди составляет ~ 1 э. В, • энергия образования вакансии в ГЦК решетке меди составляет ~ 1 э. В, а межузельного атома - ~ 3 э. В. • Энергия образования вакансий в несколько раз меньше энергии образования межузельных атомов. • При одной и той же температуре концентрация межузельных атомов значительно меньше концентрации вакансий. • В плотноупакованных структурах вакансии являются основными точечными дефектами.

Миграция точечных дефектов Диффузия по вакансиям. • • • Смещения соседних атомов при миграции Миграция точечных дефектов Диффузия по вакансиям. • • • Смещения соседних атомов при миграции вакансий невелики и поэтому энергия миграции вакансий относительно небольшая. Значительно большие смещения возникают при переходе межузельного атома из одной межузельной пустоты в другую, и поэтому энергия миграции межузельных атомов должна быть очень большой. Диффузионная пористость - результат объединения избыточных вакансий в крупные комплексы и далее в микропоры

Миграция точечных дефектов • Значительно большие смещения возникают при переходе межузельного атома из одной Миграция точечных дефектов • Значительно большие смещения возникают при переходе межузельного атома из одной межузельной пустоты в другую, и поэтому энергия миграции межузельных атомов должна быть очень большой. Диффузия по междоузлиям. • • Для межузельных атомов более благоприятный механизм миграции – «вытеснением» . При таком механизме межузельные атомы мигрируют значительно легче, чем вакансии. Атомы примесей замещения мигрируют с помощью вакансионного механизма так же, как и атомы основного металла.

Источники и стоки точечных дефектов Диффузия по механизму замещения. Источники и стоки точечных дефектов Диффузия по механизму замещения.

Источники и стоки точечных дефектов Точечные дефекты в кристалле АВ по Шоттки Точечные дефекты Источники и стоки точечных дефектов Точечные дефекты в кристалле АВ по Шоттки Точечные дефекты в кристалле АВ по Френкелю

Источники и стоки точечных дефектов • • • Вакансии и межузельные атомы могут образовываться Источники и стоки точечных дефектов • • • Вакансии и межузельные атомы могут образовываться в кристаллах одновременно по механизму Френкеля - при выходе атома из своего нормального положения в кристаллической решетке в межузлие (требует больших энергетических затрат). По механизму Шоттки в результате тепловых колебаний образуются вакансии, когда атом поверхностного слоя либо испаряется из кристалла, либо переходит в адсорбционный слой. Источниками тепловых вакансий являются не только внешние поверхности, но и пустоты или трещины внутри кристалла. Свободные поверхности, границы зерен и дислокации являются источниками вакансий, если кристалл не насыщен ими. Если он пересыщен вакансиями, то эти источники действуют как стоки - места, куда вакансии мигрируют и где они исчезают. Вакансии и межузельные атомы могут аннигилировать.

Комплексы точечных дефектов Точечные дефекты могут объединяться в пары или крупные комплексы. Линейные дефекты Комплексы точечных дефектов Точечные дефекты могут объединяться в пары или крупные комплексы. Линейные дефекты малы в двух измерениях, а в третьем могут иметь размеры, соизмеримые с размерами кристаллов. • дивакансии более подвижны, чем моновакансии • субмикроскопические поры - тетраэдрический комплекс (дивакансии, соединившиеся с моновакансиями): крупные скопления вакансий • комплекс вакансия-примесный атом • кроудион - уплотненная цепочка межузельных атомов

Линейные дефекты Дислокации – важнейшая разновидность линейных дефектов кристаллов и вообще всех дефектов кристаллического Линейные дефекты Дислокации – важнейшая разновидность линейных дефектов кристаллов и вообще всех дефектов кристаллического строения. Экстраплоскость – незавершенный сдвиг по одной из кристаллографических плоскостей. Область несовершенства кристаллической решетки вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией.

Краевая дислокация Схема движение линейной деформации. Краевая дислокация Схема движение линейной деформации.

• Краевая дислокация: а - обрыв атомной плоскости; б - электронномикроскопическое изображение дислокации • Краевая дислокация: а - обрыв атомной плоскости; б - электронномикроскопическое изображение дислокации в кристалле; в - схема расположения атомов в ядре.

• Переползание краевой дислокации, сопровождающееся изменением числа точечных дефектов в кристалле. • Схемы • Переползание краевой дислокации, сопровождающееся изменением числа точечных дефектов в кристалле. • Схемы перемещения дислокации в двухфазном сплаве при перерезании частиц второй фазы (а), при образовании дислокационных петель (б): А - А ~ плоскость движения дислокаций; 7 -5 - последовательные стадии перемещения дислокаций

Переползание. Неконсервативное движение дислокаций Сидячие дислокации (Франка). Переползание. Неконсервативное движение дислокаций Сидячие дислокации (Франка).

Переползание краевой дислокации. Атомы лишней полуплоскости переходят в вакантные узлы решётки. Электронно-микроскопич. снимок дислокац. Переползание краевой дислокации. Атомы лишней полуплоскости переходят в вакантные узлы решётки. Электронно-микроскопич. снимок дислокац. структуры кристалла хрома после высокотемпературной деформации

Взаимодействие дислокаций а и б — отталкивающиеся и притягивающиеся дислокации; в и г — Взаимодействие дислокаций а и б — отталкивающиеся и притягивающиеся дислокации; в и г — аннигиляция притягивающихся дислокаций.

Механизм скольжения. Механизм скольжения.

• • Ряды дислокаций в плоскостях скольжения в кристалле Li. F, выявленные. методом • • Ряды дислокаций в плоскостях скольжения в кристалле Li. F, выявленные. методом травления. Косые ряды — краевые дислокации, вертикальный ряд — винтовые. Характерные положения атома на атомно-гладкой поверхности кристалла со ступенями: 1 — в торце ступени; 2 — на ступени; 3 — в изломе; 4 — на поверхности; 5 — в поверхностном слое кристалла; 6 — двухмерный зародыш на атомно-гладкой грани.

Винтовая дислокация Винтовая дислокация

Винтовая дислокация Винтовая дислокация

• Винтовая дислокация, а - схема расположения атомов (кубик) в кристалле с дисклокацией; • Винтовая дислокация, а - схема расположения атомов (кубик) в кристалле с дисклокацией; б - поверхность кристалла с выходом винтовой дислокации; в спираль роста в кристалле парафина, возникшая на выходе винтовой дислокации.

Винтовая дислокация • Спиральный рост на грани (100) синтетич. алмаза. Концентрические ступени на грани Винтовая дислокация • Спиральный рост на грани (100) синтетич. алмаза. Концентрические ступени на грани (100) Na. Cl при росте из молекулярного пучка. Высота ступени 2, 82 А (декорированы мелкими кристалликами специально осаждённого золота).

Объемные дефекты • • К ним относятся разного размера поры, пустоты, трещины, царапины и Объемные дефекты • • К ним относятся разного размера поры, пустоты, трещины, царапины и т. п. Схема атомного строения Двухмерная модель случайных (а) и поликристалла; специальных (б) границ. AB, BC, CD - зерно-граничные дислокации

Объемные дефекты Объемные дефекты

Стандартный тетраэдр Томпсона Стандартный тетраэдр Томпсона

Расположение стандартного тетраэдра Томпсона в элементарной ячейке ГЦК решетки Расположение стандартного тетраэдра Томпсона в элементарной ячейке ГЦК решетки

Образование дислокации Ломер-Коттрелла при встрече расщепленных дислокаций: • а) до встречи, • б) после Образование дислокации Ломер-Коттрелла при встрече расщепленных дислокаций: • а) до встречи, • б) после встречи

Пересечение краевых дислокаций АВ и EF со взаимно перпендикулярными векторами Бюргерса: • а) до Пересечение краевых дислокаций АВ и EF со взаимно перпендикулярными векторами Бюргерса: • а) до пересечения, • б) после пересечения

Пересечение дислокаций Пересечение краевых дислокаций АВ и EF с параллельными векторами Бюргерса: • а) Пересечение дислокаций Пересечение краевых дислокаций АВ и EF с параллельными векторами Бюргерса: • а) до пересечения, • б) после пересечения

Пересечение дислокаций Пересечение винтовой дислокации АВ с краевой дислокацией CD: • а) до пересечения, Пересечение дислокаций Пересечение винтовой дислокации АВ с краевой дислокацией CD: • а) до пересечения, • б) после пересечения

Пересечение винтовых дислокаций АВ и CD: • а) до пересечения, • б) после пересечения Пересечение винтовых дислокаций АВ и CD: • а) до пересечения, • б) после пересечения

Плотность дислокаций зависит от способа обработки и состояния металлических материалов: • массивный монокристалл высокой Плотность дислокаций зависит от способа обработки и состояния металлических материалов: • массивный монокристалл высокой чистоты…………………. . <103 • отожженный обычный монокристалл…………… 104 -106 • отожженный поликристалл…………………. 107 -108 • металл после сильной холодной пластической деформации……. 1011 -1012 Зная плотность дислокаций, можно оценить длину дислокационных линий в 1 см 3 кристалла: • ρ = 107, Σl = 107 см = 105 м = 102 км; • ρ = 1012, Σl = 107 км = 10 млн. км.