Основные виды дефектов структуры и их влияние на свойства металлов и сплавов. Основные виды дефектов структуры и их влияние на свойства металл. Основные виды дефектов структуры и их влияние на свойства металлов и сплавов
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
субструктурой. В пределах каждого блока решетка почти идеальна, но разворот одного блока относительно другого обусловлен наличием дислокаций, а именно дислокационными стенками. Эти блоки образуются в кристалле в процессе кристаллизации или рекристаллизации и оказывают существенное влияние на многие свойства кристаллов, особенно механические. [9] Рис. 10. Поверхностные дефекты: границы зерен, субзерен Рис. 11. Границы зерен: модель высокоугловой границы (а), модель малоугловой границы (б) 12 Межфазные границы. Эти границы разделяют фазы с различными структурами и составом. Возможны следующие случаи: 1) Когерентные межфазные границы – фазы имеют незначительно отличающиеся параметры решетки и хорошо сопряжены одна с другой при малых искажениях на границе (рис.12, а). [7] 2) Частично- или полукогерентные межфазные границы — сопряжение фаз только частичное; для полного сопряжения необходимо ввести дислокации (рис. 12,б)[7] 3) Некогерентные межфазные границы — фазы настолько различны по своему строению, что их сопряжение невозможно; отсутствует общее размещение атомов на поверхности раздела (например, большеугловые границы зерен); для сопряжения требуются переходная решетка и зернограничные дислокации (рис.12, в). [7] 4. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЧИСЛО ДЕФЕКТОВ. Для того чтобы понять, какие факторы определяют число дефектов, надо изучить причины и механизмы образования структурных несовершенств, а так же рассмотреть такие понятия, как концентрация и плотность дефектов. 4.1. ОБРАЗОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ. Образование точечных дефектов. Теперь рассмотрим причины, вызывающие образование дефектов нескольких разновидностей. 1) Тепловые дефекты. Обмен кристалла теплом с внешней средой приводит к образованию вакансий и межузельных атомов в результате тепловых колебаний (флуктуаций). При 0 К тепловых дефектов нет, максимальная концентрация тепловых дефектов наблюдается вблизи температуры плавления. При тепловом движении частиц в кристалле атом, преодолев энергетический барьер, может покинуть узел решётки и занять межузельное положение. Поскольку при этом соседние с междоузельным атомы смещаются от центра междоузлия к периферии, то перемещение атома из узла в междоузлие связано с большими затратами энергии. Появление атома в междоузлии сопровождается образованием вакансии. Попавший в междоузлие атом сможет под влиянием тепловых колебаний (его самого и соседних с ним атомов) переместиться в соседнее положение. Рис. 12. Межфазные границы: когерентные (а), полукогерентные (б), некогерентные (в) 13 Если на своем пути он встретит вакансию и попадает в нее, то два дефекта в кристалле при этом исчезнут. Таким образом, в реальном кристалле все время появляются и исчезают точечные дефекты. [3] 2) Дефекты нестехиометрии и дефекты, обусловленные присутствием примесных атомов. Обмен кристалла веществом с внешней средой приводит к изменению химического состава кристалла. Отклонение химического состава от стехиометрического приводит к образованию вакансий и межузельных атомов – дефектов нестехиометрии. Присутствие в кристалле примесных атомов также может вызывать образование вакансий и межузельных атомов. Содержание точечных дефектов в кристаллах может меняться при их легировании, то есть при введении малых количеств добавок. Обычно вещества, используемые в качестве примесей, образуют с основным веществом твёрдые растворы. Различают примесные дефекты, которыми являются собственно примесные атомы или ионы в решётке, и примесные дефекты, возникающие вследствие замещения основного атома решётки атомом примеси. [3] 3) Электронные дефекты. Электроны условно можно разделить на связанные, которые локализованы на атомах или образуют связи между ними, и свободные, которые могут перемещаться по кристаллу. При 0 К все электроны локализованы на атомах и химических связях между соседними атомами. При повышении температуры некоторые электроны изменяют своё связанное положение, становятся свободными, и кристалл становится проводящим. То есть повышение температуры от 0 К можно рассматривать как отклонение положения электрона от некоторого идеализированного. А в системе ковалентно связанных атомов после удаления электрона остаётся вакантное место – дырка, заряженная положительно. [3] 4) Антиструктурные дефекты. Для многих двух- и более компонентых кристаллов характерно изменение способа расположения частиц в решётке при изменении температуры. Такие процессы называются переходами типа порядок-беспорядок. Предельным случаем беспорядка является произвольное распределение различным атомов по позициям, которые при низких температурах (наличие порядка) предназначены определённому типу атомов. Возникновение порядка в расположении атомов разного сорта сопровождается появлением максимумов на рентгенограммах. Антиструктурные дефекты (беспорядок) могут возникать в самых разных классах твёрдых веществ – от металлов до химических соединений. [3] 5) Радиационные дефекты. При облучении материала частицами высокой энергии (например, быстрыми электронами с энергией ≈100 кэВ и выше) также возникают точечные дефекты. Однако пороговая энергия образования этих дефектов составляет от 6 до 30 эВ, что выше энергии образования тепловых дефектов. Например, энергия образования радиационного дефекта Френкеля в 14 кремнии равна 20.4 эВ при комнатной температуре. Это, по-видимому, обусловлено сложными лавинными процессами генерации дефектов первично выбитыми атомами. [8] Таким образом, первый и второй механизмы образования точечных дефектов приводят к возникновению равновесных дефектов, а третий, четвертый и пятый— неравновесных. [8] Образование дислокаций. Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу (рис.13), т.е. краевая дислокация простирается в плоскости скольжения по всему кристаллу в направлении перпендикулярном направлению скольжения. [7] В реальных монокристаллах дислокации возникают в процессе кристаллизации, а также в процессе пластической деформации. Механизм возникновения дислокаций в процессе кристаллизации из жидкого расплава разнообразен. [7] Дислокации образуются следующими способами: 1. при срастании в процессе кристаллизации отдельных кристаллитов; 2. за счет перерождения колоний вакансий в дислокации; 3. в процессе пластического деформирования благодаря источникам Франка-Рида. [7] 1 ) На рис. 14 показаны границы двух блоков, растущих навстречу друг другу. Блоки повернуты на небольшой угол . При срастании блоков ряд атомных плоскостей не проходит через весь кристалл и заканчивается на границах блоков. В этих местах и возникают дислокации. [7] Рис. 14. Образование дислокаций при срастании в процессе кристаллизации отдельных кристаллитов Рис. 13. Механизм образования краевой дислокации 15 Такая же картина наблюдается и при срастании различно ориентированных зерен в поликристаллическом образце. В реальных твердых телах протяженность границ блоков и зерен и количество дислокаций их исключительно велики (в хорошо отожженных металлах плотность дислокаций 10 7 10 8 - 10 8 на см 2 ). [7] 2) Источником дислокаций в недеформированном кристалле могут служить также скопления вакансий. На рис. 15 приведен пример образования положительной дислокации из скопления вакансий. [7] Сдвигообразование в кристалле, развивающееся под действием внешней силы, представляет собой движение дислокаций по плоскостям скольжения и выход их на поверхность кристалла. Если бы сдвигообразование происходило только за счет выхода дислокаций, уже имеющихся в кристалле, то процесс пластического деформирования привел бы к уменьшению дислокаций и переводу кристалла в более совершенное состояние. Однако опыт показывает, что с ростом степени деформации искажение решетки не уменьшается, а, наоборот, растет. [7] 3) Современная теория твердого тела исходит из того, что дислокации генерируются (возникают) уже в процессе самой деформации. Механизм возникновения дислокаций в процессе пластической деформации выяснен не полностью, и существует ряд гипотез, часть из которых имеет косвенное экспериментальное подтверждение. Наиболее обоснованной является гипотеза, объясняющая возникновение новых дислокаций наличием локальных препятствий движению исходной дислокации. [7] Механизм образования дислокации, по Франку и Риду, заключается в том, что закрепленная в точках D и D’ дислокация может под действием касательных напряжений испытывать перемещения, показанные на рис. 16. Дислокационная линия закреплена с двух сторон. Это так называемый источник Франка-Рида. Приложенные напряжения выгибают линию дислокаций в дугу. Радиус кривизны зависит от приложенного напряжения и уменьшается по мере роста этого напряжения. Минимальный радиус получится, когда линия дислокаций примет форму полуокружности. Дальнейшее движение дислокации может приводить к увеличению радиуса кривизны линии дислокации, что должно соответствовать уменьшению напряжения . При неизменном же значении линия дислокации должна закручиваться вокруг точек D и D’. Линия дислокации образует большую петлю, которая в результате встречного движения m и n в конечном итоге превращается в замкнутую петлю дислокации и новую дислокацию DD’, аналогичную исходной. Далее под действием Рис. 15. Образование дислокаций за счет перерождения колоний вакансий в дислокации 16 напряжений процесс начинается снова, многократно повторяясь. Такие источники увеличивают количество дислокаций в десятки и сотни раз. [7] Скользящие дислокации всегда тормозятся, часто вплоть до полной остановки под действием различных факторов: − пересечение с другими дислокациями; − границы зерен и субзерен; − границы между дисперсными частицами (разными фазами); − торможение в твердых раствора. Сделаем надрез по плоскости ABCD и сдвинем правую часть кристалла вниз на один период решетки (рис.17. а). [7] Образовавшаяся при таком сдвиге ступенька на верхней грани не проходит через всю ширину кристалла, оканчиваясь в т.В. Величина смещения правой части относительно левой уменьшается по направлению от т.А к т.В. Верхняя атомная плоскость оказывается изогнутой. (рис.17. б) [7] 4.2. КОНЦЕНТРАЦИЯ И ПЛОТНОСТЬ ДЕФЕКТОВ. Концентрация точечных дефектов. Вакансии и внедренные атомы существуют в кристаллах любой структуры и при любой температуре. В условиях равновесия в кристалле стехиометрического состава точечные дефекты возникают в результате теплового движения. Концентрация точечных дефектов равна нулю при температуре 0 К. При повышении рабочих температур, количество вакансий возрастает и достигает порядка 1% от общего числа атомов при приближении к температуре плавления. Количество же межузельных атомов растет с температурой еще быстрее (по сравнению с их числом при комнатной температуре), хотя при любой температуре их число остается значительно меньшим, по сравнению с числом вакансий. [7] Относительные концентрации вакансий и внедренных атомов зависят так же от условия электронейтральности кристалла. В ионных и полупроводниковых кристаллах точечные дефекты Рис. 16. Схема последовательных I — V стадий действия источника Франка — Рида а б Рис. 17. Механизм образования винтовых дислокаций 17 обладают электрическими зарядами: внедренный катион положителен, внедренный анион отрицателен. Вакансия аниона действует как эффективный положительный за ряд, вакансия катиона — как эффективный отрицательный заряд. Условие электронейтральности обеспечивается образованием равного количества положительно и отрицательно заряженных дефектов, образованием сложных дефектов или же образованием свободных электронов или их вакансий. [7] О концентрации и состоянии точечных дефектов в кристалле можно судить по изменению плотности кристалла или параметров решетки, по проводимости (в случае электрически активных дефектов), по спектрам поглощения света и т. д. [8] Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться и объединяться (дивакансии). Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот, перерастающих иногда в «отрицательные» кристаллы (отрицательный кристалл — это пора в кристалле, имеющая ту же форму, что и сам кристалл). С течением времени избыток вакансий сверх равновесной концентрации уничтожается на свободных поверхностях кристалла, порах, границах зерен и других дефектах решетки. Места, где исчезают вакансии, называются стоками вакансий. [7] Плотность дислокаций. Дислокации- устойчивые линейные дефекты, для них не наблюдается явной зависимости концентрации дефектов от температуры. Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций. [7] Плотность дислокаций — это число линий дислокаций, пересекающих единичную площадку в кристалле. Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м 2 , или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м 3 . [7] 𝜌 = ∑ 𝑙 𝑉 , (см −2 ; м −2 ) Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 10 5 …10 7 м −2 , в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10 15 ….10 16 м −2 . [7] 18 5. МЕХАНИЗМ ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТОВ НА СВОЙСТВА. Все процессы, связанные с изменением свойств в материале, основываются на перемещении дислокаций и их взаимодействии с другими дефектами. 5.1. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ДЕФЕКТОВ. Перемещение краевых дислокаций. В отличие от точечных дефектов, дислокации не двигаются самопроизвольно, но очень подвижны. Существует два основных механизма движения дислокаций: «скольжением» и «переползанием». [7] Механизм движения дислокации «скольжением». Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения (рис. 18). [7] Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций (рис. 18). При действии вдоль плоскости скольжения касательных напряжений в направлении, указанном стрелкой, атомы вблизи ядра дислокации перемещаются справа налево на расстояния, значительно меньшие межатомных. Атомы смещаются не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости. Дислокации могут переходить с одной плоскости скольжения на другую. Этот переход осуществляется добавлением или удалением слоя атомов путем диффузии. [7] Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через весь кристалл приводит к смещению (сдвигу) соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние (рис. 18, б-г), при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька. [7] Механизм движения дислокации «переползанием». Этот механизм применяется только для краевых дислокаций. При перемещении по нормали к плоскости скольжения краевая дислокация попадает в новые атомные плоскости, параллельные той, Рис. 18. Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига, на поверхности кристалла: а — схема расположения дислокаций; б — г — этапы передвижения дислокации и выхода ее на поверхность; т — напряжение сдвига; М — М — плоскость сдвига 19 в которой она ранее находилась. Механизм такого перемещения, называемого переползанием, принципиально отличается от механизма скольжения. [7] Рассмотрим перемещение положительной краевой дислокации из своей плоскости скольжения в вышележащую соседнюю плоскость. Для этого необходимо, чтобы цепочка атомов на самой кромке экстраплоскости отделилась от экстраплоскости и ушла в глубь кристалла. Такое «растворение» кромки экстраплоскости (положительное переползание) является диффузионным процессом. Здесь возможны два варианта: 1) При подходе вакансий к краевой дислокации атомы с кромки экстраплоскости перемещаются в соседние вакантные места; 2) Атомы с кромки переходят в соседние междоузлия и диффундируют от дислокации. [7] Первый вариант более вероятен, если учесть, что в металле часто появляется избыточная концентрация вакансий, а энергия образования межузельных атомов относительно велика. [7] Перемещение положительной дислокации вниз в соседнюю плоскость скольжения означает, что к краю экстраплоскости присоединился один атомный ряд. Такая достройка экстраплоскости (отрицательное переползание) может проходить двумя путями: Присоединением межузельных атомов, диффундирующих к дислокации; Присоединением соседних атомов, находящихся в регулярных положениях, с одновременным образованием вакансий, которые затем мигрируют вглубь кристалла. [7] Таким образом, перемещение краевой дислокации по нормали к своей плоскости скольжения осуществляется путем диффузионного перемещения атомов (к дислокации или от нее), и именно этим оно принципиально отличается от скользящего движения дислокации. В отличие от скольжения — консервативного движения, не связанного с переносом массы, переползание — неконсервативное движение происходит путем переноса массы. [7] Перемещение винтовых дислокаций. Такая дислокация может скользить в любой кристаллографической плоскости, которая содержит линию дислокации и вектор сдвига. [3] Винтовая дислокация может переходить из одной атомной плоскости в другую скольжением. Если на пути движения винтовой дислокации в плоскости Р встречается какой-либо барьер, то она будет скользить в другой атомной плоскости R, находящейся под углом к первоначальной плоскости (рис. 19). [3] Рис. 19. Двойное поперечное скольжение винтовой дислокации ВС |