Тема 11. Дефекты кристаллического строения

 

Дефекты: точечные, линейные, поверхностные, объёмные.

Точечные: внедрение, вакансия (вызывают искажения).

Линейные: дислокации, определяют высокую пластичность материала, эффект имеет длину.

Поверхностные: границы зёрен, резко повышают пластичность и снижают прочность материала.

Объёмные – порог в металле, дефекты имеют объём. Зерно – кристалл неправильной формы.

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов (рис. 5):

· вакансий;

· дислоцированных атомов;

· примесей.

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки. Это «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д.), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение).

 

Рис. 5 Точечные дефекты в кристаллической решётке 1 – вакансия; 2 – примесный атом замещения; 3 – примесный атом внедрения; 4 - дивакансия

                                                

 

Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. С повышением температуры концентрация вакансий возрастает.

Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Наличие примесей в металле приводит к появлению атомов внедрения и замещения, что вызывает несовершенства кристаллической решётки.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяжённость в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями.

Краевая дислокация (рис. 6)представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости.

Неполная плоскость называется экстраплоскостью.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции:

 

          

 

Рис. 6. Краевая дислокация                Рис. 7. Схемы расположения атомов у  дислокации

 

Надрезать кристалл по плоскости, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости (рис. 7). Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная (), если в нижней, то – отрицательная (). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.

Другой тип дислокаций получил название винтовая дислокация.

Винтовая дислокация (рис. 8) получена при помощи частичного сдвига по плоскости вокруг линии АВ. На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая до края кристалла.

Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.

Винтовая дислокация может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.

В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.

Линии дислокаций (рис. 9) не обрываются внутри кристалла, они либо замыкаются, образуя петлю, либо разветвляются на несколько дислокаций, либо выходят на поверхность кристалла.

 

      

Рис. 8. Винтовая дислокация                Рис. 9. Расположение атомов вдоль

  линии дислокации

 

Поверхностные дефекты – нарушения в кристаллической решётке, которые обладают большой протяжённостью в двух измерениях и протяжённостью лишь в несколько межатомных расстояний в третьем измерении.

Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов.

Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов. Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов. Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.

В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса. Такую структуру называют блочной или мозаичной.

К объёмным дефектам относятся такие, которые имеют размеры в трёх измерениях: макроскопические трещины, поры, включения.

 

Контрольные вопросы

1. Назовите классификацию дефектов.

2. Назовите классификацию точечных дефектов.

3. Назовите классификацию линейных дефектов.

4. Назовите классификацию поверхностных дефектов.

5. Дайте определение объёмных дефектов.

6. Дайте определение вакансии.

7. Назовите факторы, влияющие на концентрацию вакансий.

8. Дайте определение дислоцированных атомов.

9. Дайте определениепримесных атомов.

10. Дайте определение дислокаций.

11. Дайте определениекраевой дислокации.

12. Дайте определение экстраплоскости.

13. Какая экстраплоскость называется положительной.

14. Какая экстраплоскость называется отрицательной.

15. Какие дислокации отталкиваются, а какие притягиваются?

16. Дайте определениевинтовой дислокации.

Обозначения

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в y -железо Fe _γ;

Гранецентрированная кубическая решётка (ГЦК) - атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней

Жидкотекучесть – способность сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить контуры полостей формы и стержней.

Критические точки - температуры, соответствующие фазовым превращениям

Красностойкость – способность резать при повышенной температуре (для инструмента)

Легированный цементи т - твердый раствор замещения атомов углерода атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомов железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др.

Ледебурит – смесь аустенита и цементита;

Ликвидус (линия АВСД)- на участке АВначинается кристаллизация феррита (δ), на участке ВСначинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного;

Ликвация – неоднородность по химическому составу как в отдельных частях отливки, так и в отдельных кристаллитах сплава

Объемноцентрированная кубическая решётка (ОЦК) - атомы располагаются в вершинах куба и в его центре.

Плотность – свойство металла давать отливку без углублений, внутренних пузырей, пустот и газовых пор, возникающих в ней вследствие выделения газов, растворенных в жидком металле при охлаждении.

Перлит - Феррит+цементит  –  

Солидус (линия AHJECF) – на участке АН заканчивается кристаллизация феррита (δ). На линии HJB при постоянной температуре 1499ºСидет перетектическое превращение, жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (δ), в результате чего образуется аустенит. На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147^oС идет эвтектическое превращение: жидкость, содержащая  4,3 %  углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного

Точка Кюри – температура, выше которой изменяются свойства материала.

Усадка  – уменьшение объема сплава при охлаждении его в форме, при этом образуются усадочные раковины или рыхлоты.

Феррит - твёрдый раствор внедрения углерода в Fe _α;

Хладноломкость - свойство некоторых металлов и сплавов переходить при понижении температуры к хрупкому разрушению без заметной пластической деформации (вольфрам, хром, молибден, цинк, кадмий Cd, Мn).

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (карбид  железа), содержит 6,67 % углерода.

Цементит первичный -  выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов.

Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита).

Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Элементарная ячейка – кристаллическая решётка наименьшего объёма, повторяется непрерывно в трёх измерениях множество раз, образуя пространственную кристаллическую решётку