Влияние дефектов на свойства металлов кратко
Обновлено: 04.07.2024
Искажения в кристаллической решётке – это несовершенство правильного геометрического расположения атомов в кристаллическом твердом теле. Дефекты в кристаллах возникают в результате деформации твердого тела, быстрого охлаждения из-за высокой температуры или излучения высокой энергии (например, рентгеновских лучей или или нейтронов, падающих на твёрдое тело. Расположенные в отдельных точках - вдоль линий или на всей поверхности – эти искажения влияют на его механические, электрические и оптические свойства материала.
Различают точечные и линейные дефекты. Первые, в свою очередь, могут быть типу Френкеля, Шоттки или примесными. Дефект Френкеля состоит из одного иона, который смещается из своей нормальной точки решетки, перемещаясь в ближайший промежуток или пространство между атомами решётки. В дефекте Шоттки решётку покидают два иона противоположного знака. Примесные искажения - это чужеродные атомы, которые замещают некоторые из атомов, которые либо составляют твёрдое тело, либо проталкиваются в пустоты.
Линейные несовершенства или дислокации являются линиями, вдоль которых проходят целые ряды атомов в твердом теле. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные дефекты могут ослаблять или укреплять твёрдые тела, поэтому они даже создаются искусственно методом хонингования.
Изучение искажений кристаллической решётки важно для моделирования электрического поведения полупроводников, материалов, используемых в компьютерных микросхемах и других электронных устройствах, а также для оценки их влияния на механические свойства.
Точечные дефекты (нульмерные)
Точечные дефекты в кристаллах представляют собой искажения решётки с нулевой размерностью, т.е. ни в какой размерности они не обладают структурой решётки.
Типичные точечные несовершенства подразделяются на три группы:
примесные атомы в чистом металле;
Вакансии получают путём нагревания в концентрациях, достаточно высоких для количественных исследований. Для получения аналогичных концентраций межузельных атомов точечные искажения можно получить, выполняя внешнюю работу с кристаллом. Такая работа выполняется в атомном масштабе за счет облучения энергоёмкими частицами. Столкновения между посторонними атомами и атомами решётки вызывают смещения последних от мест замещения к местам внедрения. Таким образом, вакансии и междоузлия производятся в равных количествах. Поскольку одна вакансия и одно междоузлие вместе образуют дефект Френкеля, облучение, по сути, является процессом образования такого дефекта. Это невыгодно по сравнению с экспериментальным исследованием межузельных свойств, поскольку радиационно-индуцированные изменения свойств кристаллов всегда включают роль вакансий.
При пластической деформации также образуются вакансии и межузельные частицы. Хотя деформация обходится намного дешевле, чем облучение частицами, метод не стал общепринятой процедурой для создания точечных дефектов, поскольку не позволяет производить контролируемое образование искажений независимо от сложных сетей дислокаций.
Аномально высокие концентрации точечных несовершенств встречаются в некоторых нестехиометрических интерметаллических соединениях. Здесь вакансии и внедрения уже играют роль дополнительных легирующих элементов и имеют в этом смысле термодинамическое значение.
Другие методы получения точечных дефектов - быстрая закалка, испарение на холодных подложках или лазерный отжиг - зависят от термически активированного производства.
В чистых металлах и в большинстве сплавов вакансии обеспечивают термически активированный перенос атомов и, следовательно, свойства вакансий напрямую влияют на перенос атомов. Свойства вакансии дают информацию о межатомных силах с помощью особых возмущений, которые зависят от вакантного узла решётки.
Линейные (одномерные)
Дефекты кристаллического строения металлов могут проявляться в форме линейных дефектов или дислокаций. Дислокации - это линии, вдоль которых аномально расположены целые ряды атомов твёрдого тела. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные искажения могут ослаблять или упрочнять твердые тела.
Поверхностные (или одномерные) дефекты могут возникать на границе между двумя зёрнами или небольшими кристаллами внутри кристалла большего размера. Ряды атомов в двух разных зёрнах могут проходить в отличающихся направлениях, что приводит к несоответствию на границе зерна. Внешняя поверхность кристалла фактически также является дефектом, потому что атомы вынуждены корректировать свое положение, чтобы приспособиться к отсутствию соседних атомов вне поверхности.
Линейные несовершенства, или, точнее, краевые дислокации, возникают тогда, когда последний слой остается незавершённым, так что в слоях, которые располагаются выше и ниже него, образуется своего рода ступенька. Поскольку длина линейных дефектов в определённом объёме стали или сплава может составлять в сумме один световой год, это открытие должно иметь большое практическое значение, поскольку структура стали зависит, среди прочего, от того, насколько она ковкая, жёсткая и пластичная. - свойства, которые материаловеды хотят постоянно оптимизировать.
Поверхностные (двухмерные)
Основная часть исследований в области химии поверхности связана с механизмами реакций на поверхности и идентификацией адсорбированных и реагирующих частиц.
Однако небольшое количество исследователей интересуются влиянием поверхности на возникновение и развитие дефектов. Структура поверхности на атомарном уровне может определять свойства материала.
Известно, что несовершенства структуры кристаллов, являясь активными центрами, контролируют многие механические и химические свойства твёрдых тел. С увеличением общего количества поверхностных дефектов растёт число атомов с различным числом разорванных связей.
Двухмерные искажения подразделяются на три группы:
Возникающие на границах зёрен.
Границы зон двойникования.
Все поверхностные структуры получаются в результате различной ориентации смежных кристаллических решёток.
Объемные (трехмерные)
Междуузельные соединения являются наиболее распространенным представителем объёмных дефектов.
Трёхмерные искажения решётки образуются из-за большого возмущения её размеров. Следствием такого возмущения являются изменения, которые связаны с динамическими и статическими свойствами материалов.
Объёмные несовершенства играют ключевую роль в развитии типичных структур повреждений, которые определяют не только микроструктуру, но и микрохимию сплавов.
Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке.
Различают три типа дефектов кристаллического строения:
Точечные дефекты характеризуются малыми размерами (несколько атомных диаметров) во всех трех измерениях.
 |  |  |
| Вакансии – свободные места в узлах кристаллической решетки | Дислоцированные атомы – атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки | Примесные атомы – атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки |
Искажая кристаллическую решетку, способствуют некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление
2) Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении – дислокации.
 |  |
| Краевая дислокация (наличие экстраплоскости) | Винтовая дислокация (сдвиг атомных слоев по плоскости) |
Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплоскости (атмосферы Коттрелла).
Общее количество дислокаций в кристалле характеризуют плотностью дислокаций. Это суммарная длина линий дислокаций в единице объёма [см/см 3 ] или, что то же самое, число пересечений дислокациями единичной площадки [1/см 2 ].
 Кривая И.А. Одинга | Теоретическая прочность – определяется силами межатомного сцепления. Усы – нитевидные кристаллы железа 0,5-2 мкм ´ 100 мм без дефектов с прочностью sВ = 13 500 МПа, что близко к теоретической прочности. Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку в 1 м 2 , или как суммарная длина дислокаций в 1 м 3 . При плотности дислокаций более 10 12 в металле образуются субмикроскопические трещины, вызывающие разрушение. |
3) Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть, например, границы зерен.
Зерно – это кристалл неправильной формы, выросший из одного зародыша. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую ориентировку решеток.
Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.
Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, что оказывает существенное влияние на механические свойства металла. Измельчение зерна увеличивает пластичность и вязкость металла.
Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макродефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины. Эти дефекты снижают прочность металла.
НАКЛЁП и РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
ДЕФОРМАЦИЕЙ называется изменение размеров или формы тела под действием внешних сил, либо физико-механических процессов, протекающих в самом теле (перепад температур, фазовые превращения т.д.).
Деформация тела совершается в результате относительного смещения атомов из положений равновесия.
При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смещениями атомов. После снятия внешних сил твердое тело восстанавливает свои исходные размеры и форму.
Если при прекращении действия внешних сил твердое не полностью восстанавливается, то такая деформация называется пластической (остаточной). В этом случае атомы не возвращаются в исходные позиции, а занимают новые положения устойчивого равновесия.
 | деформация  |  |
Состояние деформированного (наклепанного) металла является термодинамически неустойчивым, поэтому даже незначительный нагрев приводит к изменению структуры и свойств деформированного металла. В результате достигается уровень всех свойств металла, имевший место до деформации.
Нагрев деформированного металла до относительно невысоких температур, инициирует процесс ВОЗВРАТА, в результате которого изменяются тонкая структура и свойства деформированного металла без изменения его микроструктуры, вытянутая форма зерен сохраняется. В процессе возврата комплекс механических свойств, как правило, практически не изменяется.
При дальнейшем нагреве протекает процесс РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ – образование новых равноосных зерен
Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве:
а – исходный наклепанный металл; б – начало первичной рекристаллизации;
в – завершение первичной рекристаллизации; г – рост зерен при собирательной рекристаллизации;
д – образование равновесной структуры при вторичной рекристаллизации
В зависимости от температуры нагрева различают первичную, вторичную и собирательную рекристаллизации.
Первичной рекристаллизациейназывается процесс зарождения и роста новых равноосных зерен (протекает в интервале от т.1 до т.2 – см. рис. 2). При первичной рекристаллизации старые зерна наклепанного металла не восстанавливаются, а образуются новые зерна округлой формы вместо ориентированной структуры деформации (рис. 3, а, б, в).В результате рекристаллизации практически полностью снимается наклеп, свойства рекристаллизованного металла становятся сопоставимыми со свойствами отожженного металла.
Наименьшую температуру рекристаллизации Трекр, при которой начинается заметное изменение структуры и разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации. Температура рекристаллизации материала Трекр зависит от его температуры плавления Тпл:
где a-коэффициент, зависящий от степени чистоты металла.
для химически чистых металлов a=0,1-0,2
для технически чистых металлов a=0,3-0,4;
для сплавов a=0,5-0,6
Тпл и Трекр – температуры плавления и рекристаллизации, выраженные в градусах Кельвина.
После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других, т. е. имеет место собирательная рекристаллизация(рис. 3, г).Рост зерен происходит в результате перехода атомов одного зерна к другому (соседнему) через границу раздела. Возникшая разнозернистость структуры отрицательно сказывается на всех механических свойствах металла.
Вторичная рекристаллизация сопровождается быстрым ростом новых зерен, имеющих предпочтительные условия для роста, в результате чего образуются аномально большие зерна. Вторичная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов.
Поэтому на практике надо избегать условий протекания собирательной и вторичной рекристаллизации.
Для восстановления пластичности металла необходимо произвести нагрев (рекристаллизационный отжиг) на температуру немного превышающую порог рекристаллизации Трекр, чтобы не произошел процесс собирательной и вторичной рекристаллизации, при которых происходит ухудшение свойств.
Сравнивая температуры деформации и рекристаллизации, можно говорить о горячей или холодной деформации.
Если температура деформации ниже температуры рекристаллизации, то деформация считается холодной. При этом протекает только процесс упрочнения (наклепа). Если между операциями деформирования не производить рекристаллизационного отжига, то возможно образование трещин и разрушение материала.
Если температура деформации выше температуры рекристаллизации, то деформацию называют горячей. В этом случае одновремекнно протекают два процесса: наклеп и рекристаллизация.
Например, деформация свинца при комнатной температуре является горячей деформацией: Трекр = 0,4 (327 + 273) = 240 К, тогда Трекр = (240 – 273) = -33 °С.
Для железа деформирование при t = 300…400 °C является холодной обработкой давлением, так как температура начала рекристаллизации железа равна 450 °С.
Читайте также: