Анализ дефектов кристаллической решетки

Металлы как поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких, различно ориентированных по отношению друг другу кристаллов, знакомство со свойствами. Рассмотрение дефектов кристаллической решетки. Характеристика модели винтовой дислокации.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

1.Общая характеристика и структурные методы исследования металлов

металл поликристаллический дефект решетка

Все металлы и металлические сплавы - тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличии от аморфных те в котором атомы расположены хаотично.

Металлы (если их получают обычным способом) представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10^-1-10^-5см), различно ориентированных по отношению друг другу кристаллов. В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами.

Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств

- высокими теплопроводностью и электрической проводимостью;

- положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления; с повышением температуры электрическое сопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладает сверх -проводимостью;

- термоэлектронной эмиссией, т.е. способность испускать электроны при нагреве;

- хорошей отражательной способностью: металлы не прозрачны и обладают металлическим блеском;

- повышенной способностью к пластической деформации.

Наличие этих свойств и характеризует так называемое металлическое состояние веществ. Наиболее широкое применение имеют сплавы. Сплавы получают сплавлением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Они обладают характерными свойствами, присуще металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплав может состоять из двух и большего числа компонентов.

В металловедение широко используют понятие «система», «фаза», «структура».

Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой.

Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных частей поверхностями раздела.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении в 30-40 раз). При этом на специально изготовленных шлифах можно различить форму и расположение зерен в литом металле, дефекты, нарушающие сплошность металла, химическую неоднородность сплава. И микроструктуру (строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях). При этом на специально изготовленных микрошлифах различают размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их размер и форму. Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе - оптическом или электронном.

Разрешающая способность оптического микроскопа, т.е. минимальная величина объекта (детали структуры), которая различима с его помощью, не превышает 0,2 мкм (200нм). Полезное увеличение в оптическом микроскопе достигает примерно 2000 раз.

Разрешающая способность электронных микроскопов значительно выше оптических. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волн ((0,04-0,12) 10^-1 нм), дает возможность различать детали изучаемого объекта размером до 0,2-0,5 нм.

Наибольшее распространение нашли просвечивающие электронные микроскопы ПЭМ, в которых поток электронов проходит через излучаемый объект, представляющий собой тонкую фольгу. Получаемое изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Очень большое применение получили растровые электронные микроскопы (РЭМ), в которой изображение создается благодаря вторичной эмиссии электронов, получаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов.

В последние годы для оценки металлургического качества металла, закономерностей процесса разрушения, влияние структурных, технологических и других факторов на разрушение широко применяют метод фрактографии, микрофрактографии - область знания о строении излома. Под изломом понимают поверхность, образующуюся в результате разрушения металла.

Вид излома определяется условиями нагружения, кристаллографическим строением и микроструктурой металла, формируемой технологии ее выплавки, обработки давлением, термической обработки, температурой и средой, в которой работает конструкция. Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на дифракции рентгеновских лучей с очень малой длиной волны (0,02-0,2 нм) рядами атомов в кристаллическом теле.

В металловедении все шире применяют метод рентгеноспектрального микроанализа (РСМА), для изучения распределения примесей и специально введенных элементов в сплавах. Метод РСМА определяет химический состав микрообластей на металлографическом шлифе, при этом достигает разрешение порядка микрометров.

Для изучения металлов и сплавов нередко используют физические методы исследования (тепловые, объемные, электрические, магнитные). В основу этих исследований положены взаимосвязи между изменениями физических свойств и процессами, происходящими в металлах и сплавах при их обработке или в результате тех или иных воздействий (термических, механических и других). Наиболее часто применяют дифференциальный термический анализ (построение кривых охлаждения в координатах температура - время) и дилатометрический метод, основанный на изменении объема при фазовых превращениях. Для ферромагнитных материалов применяется магнитный анализ.

Рис.1.1. Подразделение металлов в технике

Для металлов характерна металлическая кристаллическая решетка. В ней имеется металлическая связь между атомами. В металлических кристаллах ядра атомов расположены таким образом, чтобы их упаковка была как можно более плотной. Связь в таких кристаллах является нелокализованной и распространяется на весь кристалл.

Металлические кристаллы обладают высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском и непрозрачностью, легкой деформируемостью.

2.Атомно-кристаллическая структура металлов

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов (ионов), существующее в реальном кристалле. Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы.

Такая связь называется металлической. Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна. Как видно из рисунка 2.1, этому положению соответствует равновесное расстояние а₀. Сближение атомов на расстояние меньшее а₀ или удаление их на расстояние большее а₀, осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания и притяжения. Поэтому в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

Рис.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

Расстояние a, b, c между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называются периодами решетки. Периоды решетки для большинства металлов находятся в пределах 0,1 - 0,7 нм (1 нм = 10^-9 см.).

Плотность кристаллической решетки - объема, занятого атомами, которые можно условно рассматривать, как жесткие шары характеризуются координационным числом, под которым понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Чем выше координационное число, чем больше плотность упаковки атомов.

В элементарной ячейке ОЦК наименьшее расстояние между атомами соответствует d = 0,5 а. На этом расстояние от данного атома находятся 8 соседей, следовательно, координационное число для ОЦК решетки соответствует 8 и обозначается К8. Коэффициент компактности ячейки, определяемый как отношение объема, занятого атомами, к объему ячейки составляет для ОЦК решетки 68 %.

Аналогично для ГЦК координационное число равно К12, где расстояние между атомами d = 0,5 а . ГПУ решетка, для которой с/а = 1,633, имеет координационное число 12 (Г12), что также соответствует наиболее плотной упаковке. Если отношение с/а отличается от 1,633 то координационное число буде равняться 6.

ГЦК ГПУ решетки более компактные; в них коэффициент компактности равен 74 %.

При уменьшении координационного числа в ГПУ решетке с 12 до 6 коэффициент компактности составляет 50 %, а при координационном числе 4 - всего 25 %.

Половину наименьшего расстояния между атомами в их кристаллической решетке называют атомным радиусом. Атомный радиус возрастает при уменьшении координационного числа, так при этом увеличивается пространство между атомами. Поэтому атомные радиусы разных метал...