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.
|
|
Курсовая работа по дисциплине «Материаловедение» на тему: Основные виды дефектов структуры и их влияние на свойства металлов и сплавов. Автор: студент группы Преподаватель:. Москва, 2020 г. 2 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. План-задание…………………………………………………………………………………………..стр.3 2.Введение…………………………………………………………………………………………..........стр.4 3. Дефекты кристаллического строения ……………………………………………………………….стр.5 3.1. Точечные дефекты………………………………………………………………………………...стр.6 3.2. Линейные дефекты………………………………………………………………………………..стр.8 3.3.Поверхностные дефекты……………………………………………………………………..........стр.9 4. Факторы, определяющие число дефектов………………………………………………………....стр.12 4.1. Образование дефектов…………………………………………………………………………..стр.12 4.2. Концентрация и плотность дефектов …………………………………………………………стр.16 5. Механизм влияния дефектов на свойства………………………………………………………...стр.18 5.1. Перемещение дефектов…………………………………………………………………..........стр.18 5.2. Взаимодействие дефектов друг с другом…………………………………………………......стр.21 6. Изменение свойств при изменении числа дефектов…………………………………..…………стр.24 7. Способы влияния на плотность дефектов………………………………………………………...стр.27 8.Заключение…………………………………………………………………………………………..стр.29 9.Список использованных источников ……………………………………………………………...стр.30 3 1. ПЛАН-ЗАДАНИЕ. Тема: Основные виды дефектов и их влияние на свойства металлов и сплавов. 1. Виды дефектов. 2. Точечные дефекты. 3. Линейные дефекты. 4. Поверхностные дефекты. 5. Факторы, определяющие число дефектов. 6. Механизм влияния дефектов на свойства. 7. Изменение свойств при изменении числа дефектов. 8. Способы влияния на плотность дефектов. 4 2. ВВЕДЕНИЕ. Большую роль в развитии авиационной и ракетно-космической техники играет создание материалов с уникальными и новыми свойствами. В настоящее время требуются материалы, которые способны обеспечить работоспособность техники и конструкций в совершенно разных и экстремальных условиях эксплуатации. Решение многих технических проблем, связанных с уменьшением массы машин и приборов, повышением их надёжности, качества и работоспособности, а так же совершенствования технологии производства во многом зависит от совершенствования материалов. Для их разработки проводится огромное количество исследований, направленных на изучение структуры, свойств, состояния поверхности металла, а так же методов управления структурой и свойствами металлических материалов. Каждый металл или металлический сплав подвергается тепловому и механическому воздействию, а значит, меняет свою структуру и свойства. В ходе этих изменений в кристаллической решетке металлов появляются несовершенства или дефекты. Они существенно снижают технологические свойства металла в условиях его обработки и эксплуатационную стойкость. Исследование дефектов на различных «надмолекулярных» уровнях строения является ключевым моментом в направленном контроле свойств функциональных материалов, как существующих, так и еще не открытых. В связи с этим в задачи установления причин неудовлетворительного качества металлопродукции входит не только выявление дефектов, но и установление их природы и механизма и причин возникновения. Целью данной работы будет рассмотрение и изучение дефектов кристаллического строения, а так же влияния тех или иных нарушений кристаллической решетки на свойства и характеристики металла. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: • Рассмотрена информация о дефектах и их классификации; • Рассмотрены факторы, влияющие на появление и свойства дефектов; • Рассмотрены механизмы влияния дефектов на свойства и характеристики металлов. • Рассмотрено влияние на свойства материала при изменении числа дефектов. • Рассмотрены способы влияния на плотность дефектов. 5 3.ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ. Все металлы и металлические сплавы имеют кристаллическое строение. Их атомы расположены закономерно. Другими словами, полученные при обычных условиях металлы— это поликристаллические тела, то есть они состоят из большого количества мелких кристаллов, которые различно ориентированы по отношению друг к другу и приобретают неправильную форму при кристаллизации. [1,6] Любой реальный кристалл имеет значительное количество структурных несовершенств или дефектов, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на физические, механические, химические, технологические свойства металла. Дефекты кристаллического строения- это энергетически возбужденные состояния кристаллической решетки, которые связанны с нарушениями идеального периодического строения решетки и отклонения её строения от совершенной структуры. [6] Основная причина возникновения дефектов строения— тепловые колебания в узлах кристаллической решетки отдельных атомов в процессе кристаллизации, а также наличие примесей, результат механических, тепловых воздействий и магнитных или электрических полей. [2] Для лучшего понимания вопросов связанных с дефектами кристаллической решетки, следует рассмотреть классификацию важнейших видов дефектов строения поликристаллического металла. Классификация дефектов. Существует несколько способов классификации дефектов: 1) Деление дефектов на собственные и несобственные или примесные. Примесные дефекты, как следует из названия, обусловлены присутствием чужеродных атомов или молекул. Собственные дефекты не меняют качественного состава кристалла (меняться может лишь количественный состав). Они возникают из-за влияния температуры, механических и других видов воздействия на твердую фазу. [3] 2) Деление на равновесные и неравновесные (рассмотрение дефектов с позиций равновесия в системе). Равновесными называются дефекты, находящиеся в термодинамическом равновесии со структурой. Концентрация равновесных дефектов кристалла зависит от температуры. При ее повышении концентрация таких дефектов возрастает, а при ее снижении, соответственно, уменьшается. Причем при возвращении кристалла в исходное состояние, то есть к исходной температуре, концентрация в точности будет соответствовать исходной. [3] 6 Неравновесными называются дефекты, не находящиеся в равновесии со структурой и имеющие вследствие этого высокие значения энергии образования. Неравновесные дефекты тоже подвержены влиянию температуры. Например, если выдерживать кристалл с дефектами при постоянной (обычно, повышенной) температуре длительное время, концентрация неравновесных дефектов уменьшается. Это происходит за счет возрастания их подвижности. При возвращении кристалла к исходной температуре концентрация таких дефектов не восстанавливается. Это значит, что отсутствует прямая связь концентрации дефектов с температурой, которая имеет место в случае равновесных дефектов. [3] Малая подвижность и большое время жизни дефектов структуры позволяют классифицировать их по чисто геометрическому признаку, а именно по числу измерений, в которых качественные нарушения структуры кристалла простираются на расстояния: [7] Нульмерные (точечные) дефекты—характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Их размеры соизмеримы с размерами атомов. Одномерные (линейные) дефекты— малы в двух направлениях, а в третьем направлении они соизмеримы с длиной кристалла. Двумерные (поверхностные) дефекты— обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью всего в нескольких межатомных расстояниях в третьем измерении. Трехмерные (объемные) дефекты— имеют размеры в трех измерениях (макродефекты), например: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины и т. д. Эти дефекты снижают прочность металла. [5] 3.1. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ. Точечный дефект — это нарушение кристаллической структуры, размеры которого во всех трех измерениях сравнимы с одним или несколькими (очень малыми) междуатомными расстояниями. Дефекты данного вида могут иметь простую или сложную структуру. К простейшим точечным дефектам кристалла относятся: [7] 1) Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин (рис.1.а). Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться и объединяться в дивакансии, тривакансии, вакансионные тетраэдры. Скопления многих вакансий — кластеры — образуют поры, пустоты. [7] Рис. 1. Точечные дефекты а- вакансия; б- примесный атом; в- дислоцированный атом 7 2) 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, но преимущественно в таких микропорах, где для них имеется достаточно свободного пространства. (рис.1. б). [7] 3) Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие (рис.1. в). Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия. [7] Отличительной особенностью точечных дефектов является то обстоятельство, что их трудно наблюдать непосредственно. Поэтому обнаруживать и изучать их приходится в основном по тому влиянию, которое они оказывают на физические свойства кристалла. Точечные дефекты могут взаимодействовать друг с другом, образуя различные нейтральные сочетания. Нейтрализация дефектов решетки с помощью электронов и дырок тем более вероятна, чем больше электронов и дырок в зоне проводимости кристалла, т. е. чем уже запрещенная зона. Дефекты такого типа имеются в полупроводниках. В кристаллах с широкой запрещенной зоной, т. е. в диэлектриках, более вероятна нейтрализация точечных дефектов друг с другом путем образования парных дефектов — дефектов Френкеля (рис.2. а) или дефектов Шоттки (рис.2.б). [7] 1. Дефекты по Я. Н. Френкелю. Атом или ион перемещается из своего нормального равновесного положения (узла) в нестабильное, промежуточное положение (междоузлие), образуя атом или ион внедрения и вакансию, т.е. незанятый узел решетки. 2. Дефекты по В. Шоттки. Атом или ион перемещается из своих уравновешенных положений на поверхности кристалла. [7] Дефект Шоттки — пара из катионной и анионной вакансий. Наличие дефектов Шоттки уменьшает плотность кристалла, поскольку атом, образовавший вакансию, диффундирует на поверхность кристалла. Дефект Френкеля — вакансия и противоположно заряженный атом в междоузлии. Эти дефекты не влияют на плотность кристалла. В общем случае в кристалле могут быть и дефекты Френкеля, и дефекты Шоттки, причем преобладают те, для образования которых требуется меньшая энергия. [7] Рис.2. Дефекты по Френкелю (б); Дефекты по Шоттки (а) 8 3.2. ЛИНЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ. Линейные дефекты— одномерные, т.е. протяженные в одном измерении: нарушения периодичности в одном измерении простираются на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в двух других измерениях не превышают нескольких параметров решетки. [7] К линейным дефектам относят дислокации, микротрещины, неустойчивые образования в виде цепочки точечных дефектов. [3] Дислокации – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. В центре такой дислокации находится искажённая плоскость с отличными от равновесных межатомными расстояниями. Эта область транслируется вдоль линии дислокации. Концы этой линии выходят на поверхность кристалла или же она образует внутри кристалла замкнутую дислокационную петлю. В зависимости от того, как расположены участки этой линии по отношению к вектору сдвига, различают: [7,3] − Краевые дислокации; − Винтовые дислокации. 1) Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости, которая называется экстраплоскостью (линия скольжения).Краевая дислокация напоминает книгу, у которой оторвали часть листа(рис. 3). [7] Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. 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) (рис. 4). [7] На рис.4 показан разрез параллелепипеда по атомной плоскости, перпендикулярной линии АВ. [7] Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная ( ) (рис. 5). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются. [7] Рис. 3. Краевая дислокация и результат её перемещения Рис. 4. Разрез параллелепипеда по атомной плоскости, перпендикулярной линии АВ для краевой дислокации (τ - вектор сдвига) 9 2) Вторым основным типом дислокаций являются винтовые дислокации. Т.к. после появления такой дислокации в кристалле он состоит из атомной плоскости, закрученной в винтовую лестницу, то эта дислокация называется винтовой (рис.6). [7] Если винтовая дислокация образована по часовой стрелке, то ее называют – правовинтовая, против – левовинтовая. 3) Возможен случай, когда дислокация представляет собой кривую. Такие дислокации называются смешанными (рис. 7). В точке О дислокация винтовая, а в точке О` − краевая. Поскольку любая дислокация является границей зоны сдвига, то она не может обрываться внутри кристалла. Дислокация в состоянии лишь выходить своими концами на поверхность, разветвляться на несколько дислокаций, образующих узел или формировать замкнутое кольцо, полностью расположенное в кристалле. Учитывая, что дислокационная линия в общем случае может иметь произвольную кривизну, то вводится понятие о смешанной дислокации, имеющей различную долю краевой и винтовой компонент. Таким образом, любую произвольную линию дислокации можно разделить на краевую и винтовую составляющие. [7] 3.3 ПОВЕРХНОСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ. Двумерные, или поверхностные, дефекты простираются в двух измерениях на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в третьем — составляют несколько параметров решетки. У поверхностных дефектов – мала толщина, а длина и ширина больше её на несколько порядков. [7] К двумерным дефектам относятся: 1. Дефекты упаковки. 2. Дислокационная стенка. 3. Сама поверхность кристалла. 4. Двойники и их границы. 5. Границы зерен (большеугловые) и субзерен или фрагментов (малоугловые), блоки. 6. Межфазные границы. [7] Рис. 5. Положительная (а) и отрицательная (б) краевые дислокации Рис. 7. Смешанная дислокация Рис. 6. Винтовая дислокация 10 Дефекты упаковки и дислокационная стенка. Одним из наиболее распространенных плоских дефектов являются дефектов упаковки. Они представляют собой нарушения последовательности застройки атомными плоскостями решетки некоторых участков в кристалле (рис. 8). Возникают данные дефекты обычно в плотноупакованных кристаллах и ограничены частичными дислокациями. Как и дислокации, дефекты упаковки играют важную роль в деформации кристаллов. [7] Двойники. Двойником называется часть кристалла, в которой кристаллическое строение является зеркальным отражением остальной части кристалла (рис. 9(а)). Плоскость симметрии, связывающая две зеркально симметричные части кристалла, называется плоскостью двойникования (рис. 9(б)). [9] Двойникованием (образованием двойников) - симметричная переориентация областей кр. решетки. Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла. Обычно деформация двойникованием протекает в тех случаях, когда деформация скольжением, т.е. путем движения дислокации, затруднена. [5] Границы зерен. Поликристаллы состоят из большого числа мелких монокристаллов неправильной формы и жестко связанных между собой, которые называются зернами или кристаллитами. Зерна разделены некоторыми зонами перехода – границами зерен. Очень важно хорошо представлять, что граница зерна – это не «стена» из чего-то между соседними зернами и не пустота между ними. Надо также не забывать, что границы зерен – не линии, хотя именно так мы видим их на отполированной и протравленной поверхности металла. [10,7] Граница зерна представляет собой поверхность между двумя монокристаллами различной ориентации, которые примыкают друг к другу, т. е. некий сплошной переход от одного монокристалла к другому или же область несовершенного контакта, где имеется нарушение непрерывности кристаллической структуры (рис. 10). [10] Рис. 8. Дефект упаковки (а) и дислокационная стенка (б) а б а б Рис. 9. Двойник (а) и плоскость двойникования (б) 11 Два соседних зерна в общем случае имеют несовпадающую кристаллографическую ориентировку. В зависимости от угла разориентировки θ принято выделять: [3] − Малоугловые границы; − Большеугловые границы. К малоугловым относят межзеренные границы с углом разориентировки не более 5°. Если этот угол превышает 10°, то такие границы считаются высокоугловыми (при θ = 5–10° границы относят к среднеугловым) (рис.11). Чем больше дислокаций в стенке и меньше расстояние между ними, тем выше угол разориентировки θ. Поэтому с увеличением плотности дислокаций в стенке малоугловая граница может постепенно трансформироваться в высокоугловую. По границам зерен наряду с плоскими дефектами могут существовать и объемные дефекты. [3] При переходе через высокоугловые границы фактически происходит резкий скачок ориентировки атомных плоскостей и анизотропных свойств соприкасающихся решеток соседних кристаллов. Имеющиеся на данный момент представления о строении высокоугловых границ имеют в основном описательный характер. Ширина высокоугловых границ приближается к атомным размерам (порядка 1–3 атомных диаметров). Такая граница содержит относительно большие промежутки между атомами (повышенную рыхлость). Это является причиной быстрой диффузии по границам зерен, а также объясняет их высокую подвижность. [3] В свою очередь каждое зерно не является идеальным кристаллом, а состоит из отдельных фрагментов (блоков или субзерен), размер которых примерно в тысячу раз меньше размера зерна. Множество блоков слегка повернутых друг относительно друга на доли градуса в одном зерне образуют структуру, которая называется мозаичной или |