Определение плотности дислокаций. Лабораторная работа 1 Определение плотности дислокаций по электронномикроскопическим изображениям
 Скачать 1.32 Mb.
|
|
Лабораторная работа №1 «Определение плотности дислокаций по электронно-микроскопическим изображениям» Вариант 2 Цель работы: научиться определять плотность дислокаций в металлах различными методами по электронно-микроскопическим изображениям. Задача: найти плотность дислокаций двумя различными методами. Оборудование: текстовый редактор «Microsoft Word» и табличный процессор «Microsoft Excel». Краткая теория Дефектами кристаллической структуры называют отклонения от идеальной кристаллической решётки. Идеальное кристаллическое строение без каких-либо дефектов расположения атомов в пространстве у реальных материалов практически не встречается. Наиболее удачной и универсальной системой классификации дефектов кристаллического состояния в настоящее время признана классификация по геометрическому принципу т.е. по числу измерений, в которых дефект имеет макроскопические размеры (т.е. превышающий параметр решётки а). Искажения кристаллической структуры начинаются с изменения положения отдельных атомов, занимающих нерегулярные позиции. Параметр решётки, а (кратчайшее межатомное расстояние или атомный размер) - единица измерения, сравнивая с которой размеры дефекта вдоль одного из трёх измерений можно отнести к некоторому определённому типу. Типы дефектов 1) Нуль-мерные, или точечные, дефекты – дефекты, размеры которых во всех трёх измерениях сравнимы с межатомным параметром а. К точечным дефектам относятся: - вакансии, - междоузельные атомы и всевозможные их сочетания, - комплексы точечных дефектов, - атомы примеси. 2). Одномерные, или линейные, дефекты – дефекты, у которых один из размеров существенно больше а, а два других сравнимы с параметром решётки; К линейным дефектам относятся: - дислокации, - цепочки вакансий и междоузельных атомов. 3). Двумерные, или плоские, дефекты, т.е. несовершенства кристаллического строения, у которых два размера существенно превышают параметр решётки. К двумерным дефектам относятся: - поверхность, - границы зёрен, фаз, двойников, - дефекты упаковки, - границы доменов в сверхструктуре и т.п. 4). Трёхмерные, или объёмные, дефекты, т.е. несовершенства, у которых все три размера существенно больше межатомного параметра а; к ним относятся: - поры, - трещины, - выделения отдельных фаз и т.д. Основным видом линейных дефектов являются дислокации: краевые, винтовые и смешанные. Дислокации являются особым типом несовершенств в решётке, резко отличным по своей природе от других. Это - линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. В настоящее время с помощью теории дислокаций рассматриваются многие процессы, протекающие в кристаллах: - пластическая деформация, - кристаллизация из расплава, - фазовые и структурные превращения в твёрдом состоянии и многое другое. Краевые дислокации - локализованное искажение кристаллической решётки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной плоскости, или экстраплоскости.  Рис.1. Экстраплоскость Вдоль неё (под её краем) как раз и происходит нарушение в регулярном расположении атомов кристалла. Т.е. одна из атомных плоскостей кристалла оказалась недостроенной. Наиболее простой способ образования дислокации в кристалле – сдвиг.  Рис.2. Сдвиг части кристалла Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние, причём зафиксировать положение, когда сдвиг охватит не всю плоскость скольжения, а только часть её АВС, то граница АВ между участком, где скольжение уже произошло, и участком в плоскости скольжения, в котором скольжение ещё не произошло, и будет дислокацией. Винтовую дислокацию можно представить как расположение атомов по винтовой поверхности с шагом в одно межатомное расстояние. Ось этой винтовой поверхности является линией дислокации. Кристалл, содержащий винтовую дислокацию, представляет собой фактически одну-единственную атомную плоскость, свёрнутую в виде винтовой лестницы.  Рис.3. Винтовая дислокация Вокруг линии EF атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности. Обойдя верхнюю атомную плоскость по часовой стрелке, приходим к краю второй атомной плоскости и т.д. Винтовая дислокация, также как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по плоскости Q. В районе края экстраплоскости на протяжении нескольких межатомных расстояний возникают искажения кристаллической решётки. Энергия искажения решётки является одной из важнейших характеристик дислокации любого типа. Критерием этого искажения служит вектор Бюргерса. Вектор Бюргерса – параметр, характеризующий искажённость кристаллической решётки при наличии дислокаций.  Рис.4. Определение Вектора Бюргерса Для краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к её линии, для винтовой – параллелен ей. Порядок выполнения работы 1.Первый метод. На электронно-микроскопическом изображении найти сумму длин всех дислокаций: 1.1. Для каждой дислокации найти ai проекции по фотографии. 1.2. Рассчитать длину каждой дислокации как Li=  , где h – толщина образца.1.3. Найти суммарную длину всех дислокаций как L=  , где n- число дислокаций.1.4. Длина дислокаций должна быть рассчитана в соответствии с увеличением фотографии. 1.5. Все результаты расчётов и измерений должны быть приведены в таблице. 1.6. Рассчитать объем образца как V=S*h, где S-площадь поверхности образца на фотографии. 1.7. Определить плотность дислокаций по формуле  .2. Второй метод: 2.1. Определить число точек (N) выхода дислокаций на поверхность образца. 2.2. Рассчитать площадь поверхности образца S (площадь фотографии с учётом масштаба). 2.3. Рассчитать плотность дислокаций по формуле  .3. Сравнить численный значения плотностей дислокаций, найденных по первому и второму методам. 4. Обсудить полученные результаты (для каких материалов характерны найденные плотности дислокаций; при несовпадении плотностей дислокаций, рассчитанных по 1 и 2-му, объяснить, почему наблюдается данная разница в плотностях дислокаций). 5. Сделать выводы и написать отчёт. Ход работы    Рис.5. Электронно-микроскопическое изображение поверхности металлической фольги   Рис.6. Электронно-микроскопическое изображение поверхности с отмеченными номерами дислокаций Результаты расчётов и измерений Первый метод. Измерение длины каждой дислокации проводилось с помощью линейки. В результате было измерено 50 линий.    =100,9 мкмРасчёт объема образца     Определение плотности дислокаций по формуле:   =1,9181*109 (см-2)Число входа и выхода дислокаций N: N=100 Второй метод. Рассчитать плотность дислокаций по формуле . = 1,901*109 (см-2) Рис.7. Значения плотностей дислокаций. Вывод: Значения плотности дислокаций, рассчитанное первым и вторым методами составляют 1,9348*109 (см-2) и 1,9175*109 (см-2). Полученные значения лежат в интервале 109-1011 см-2, что соответствует металлу после пластической деформации. Различия в значениях плотности дислокаций, посчитанных разными методами, составляет около 1%. |