Изоморфизм – свойство различных, но родственных по химическому составу веществ кристаллизоваться в одинаковых структурах при одном типе химической связи.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 77Следующая ⇒

Изотроп и я, изотропность (от изо и греч. trópos — поворот, направление), одинаковость физических свойств среды по всем направлениям (в противоположность анизатропия). Все газы, жидкости и твёрдые тела ваморфном состоянии изотропны по всем физическим свойствам. У кристаллов большинство физических свойств анизотропно. Однако чем выше симметрия кристалла, тем более изотропны его свойства. Так, у высокосимметричных кристаллов (алмаз, германий, каменная соль) упругость, прочность, электрооптические свойства анизотропны, но показатель преломления света, электропроводность, коэффициент теплового расширения — изотропны. Однородные поликристаллы обычно изотропны в отношении всех свойств, если рассматривать их свойства в объёме, значительно большем, чем величина зерна

Анизотропия (от древнегреческого ἄνισος — неравный и τρόπος — направление) - зависимость величины свойств от направления измерения свойств. Анизотропия проявляется в физических свойствах: упругости, теплопроводности, скорости звука, механической прочности на разрыв. Для кристаллов каждого класса можно указать группы изотропных и анизотропных свойств. Кубические кристаллы изотропны в отношении таких свойств как прохождения света, электропроводности, теплопроводности, но обладают анизотропией упругих (механических), электрооптических, пьезоэлектрических свойств. Наибольшая степень анизотропии характерна для кристаллов низких сингоний.

Полиморфные модификации металлов, неорганических соединений принято обозначать буквами греческого алфавита. Низкотемпературные модификации обозначают α, например α-Fe, высокотемпературные γ, например γ-Fe. Если модификаций несколько используют большее число букв, например у марганца (табл. 1.1.). Обычно высокотемпературные модификации имеют более симметричные структуры, обладают большей пластичностью.

Табл. 1.1.

Полиморфные (аллотропические) модификации металлов.

Элемент	Полиморфная форма	Интервал температур устойчивого состояния ^оC	Тип кристаллической структуры
Fe	α γ	<911, 1392 – 1539 911 – 1392	К8 К12
Co	α β	<450 450 – 1480	Г12 К12
Sn	α β	<18 18 – 232	сложная К6 Т8
Mn	α β γ δ	<700 700 – 1079 1079 – 1143 1143 – 1244	сложная К6 -- Т12 К8
Ti	α β	<882 882 – 1660	Г12 К8

Наличие у металлов полиморфных превращений имеет важное практическое значение, поскольку у них в результате изменяются такие свойства как плотность, способность растворять в себе другие элементы, прочностные характеристики. Подвергая сплавы заданной термической обработке можно стабилизировать различные модификации металлов и целенаправленно изменять их свойства. Полиморфные превращения могут происходить также под действием высоких давлений. Наиболее яркий пример: получение в результате полиморфизма синтетических алмазов из графита под действием давления порядка 10⁴МПа.

Дефекты в кристаллической структуре веществ.

Дефектами в кристаллах являются несовершенства кристаллического строения, нарушения строго периодического расположения частиц в узлах кристаллической решетки. Дефекты образуются в процессе: кристаллизации, под влиянием электрического, магнитного полей, тепловых и механических воздействий, при введении в кристаллы примесей. Радиационные дефекты возникают при облучении кристаллических материалов потоками частиц и жестким электромагнитным излучением.

Различают точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты. По количеству атомов участвующих в дефектах выделяют точечные дефекты – дефекты 1-го рода и протяженные дефекты – дефекты 2-го рода.

I . Точечные – дефекты 1-го рода, охватывающие один - два структурных узла или междоузлия в элементарной ячейке.

а) Структуры разрыхления – дефекты по Шоттки (рис. 1.4, а).

Атомы простого вещества испаряются с поверхности и на их места переходят атомы нижележащего слоя, оставляя после себя незанятый узел – вакансию. В вакансии переходят атомы следующего слоя, так вакансии проникают вглубь кристалла. С понижением температуры имеет место обратный процесс – атомы из пара возвращаются в кристалл по вакансиям.

б) Структуры смещения – дефекты по Френкелю.

Средняя амплитуда тепловых колебаний атомов в кристаллах мала по сравнению с межатомным расстоянием даже при высоких температурах. Вместе с тем из-за наличия флуктуаций энергии всегда существуют атомы (ионы), отклонение которых от механически равновесного положения настолько велико, что они способны покинуть регулярные позиции в узлах решетки и перейти в междоузлия. В результате процесса, называемого разупорядочением по Френкелю, в кристалле возникают точечные дефекты двух видов - вакансии и внедренные атомы (рис. 1.4, б). Название «точечные» дефекты при этом является довольно условным, ибо вакансии и внедренные атомы могут искажать вокруг себя решетку на значительные расстояния.

• о

а б

Рис. 1.4. Схема разупорядочения по Шоттки (а) и по Френкелю (б).

Для обозначения точечных дефектов удобно использовать символику, предложенную Г. Винком и Ф. Крегером: прописной буквой обозначают тип дефекта, нижним индексом – кристаллографическую позицию, в которой он находится. В соответствии с этим для элементарного кристалла, состоящего из атомов А, используют следующие символы: А_А- атом А, занимающий регулярный узел; А _i - атом А в междоузлии; V _A - вакансия в узле А; V _i - свободное междоузлие.

в) структуры взаимозамещения – структуры по Ландау.

Ландау оперировал примером сплава CuZn. Атомы меди занимают одну подрешетку, атомы цинка другую. С повышением температуры этот порядок идеальной решетки нарушается попаданием меди в подрешетку цинка и, наоборот с образованием структуры взаимозамещения. Усиление беспорядка с температурой приводит к порядку иного типа, когда оба сорта атомов равномерно занимают позиции в узлах обоих подрешеток.

г) структуры вычитания.

Если с повышением температуры из соединения АВ атомы А и В выделяются с неравной скоростью, то концентрация вакансий в их подрешетках становится неравной, происходит частичная диссоциация, состав изменяется (АВ₁). Поправка может быть ничтожно малой дробью, но, например, электрофизические свойства полупроводников могут изменяться в миллионы раз.

д) Ориентационные дефекты

Наблюдается в ферро- и антиферромагнетиках. При низких температурах магнитные моменты отдельных атомов расположены упорядоченно (параллельно или антипараллельно), но с повышением температуры дезориентируются, что, в конечном счете, приводит к появлению парамагнитного состояния. Первые непараллельные магнитные моменты можно рассматривать как ориентационные дефекты.

Примесные дефекты:

- структуры замещения (твердые растворы первого рода): атомы примеси занимают позиции в узлах решетки вместо атомов основного состава;

- структуры внедрения (твердые растворы второго рода): атомы примеси занимают позиции в междоузлиях, если эти атомы невелики по размеру и их размещение в междоузлиях не слишком сильно искажает решетку.

II . Протяженные – дефекты 2-го рода – это дислокации, трещины, микрокаверны (рис.1.5-1.7).

Дислокация – область дефектов кристаллической структуры, простирающаяся вдоль некоторой линии (линии дислокаций) или линейный дефект кристаллической решетки, вблизи которого искажено поле упругих напряжений материала. Дислокации могут взаимодействовать со свободными поверхностями, внутренними границами раздела (типа границ зерен) и друг с другом, стремясь уменьшить полную энергию упругой деформации решетки. Линейная дислокация характеризуется вектором смещения, называемым вектором Бюргерса и определяющим поле упругих деформаций материала.

Дислокации образуются в процессе кристаллизации, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений. Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций, под которой понимают суммарную длину дислокаций Σl, см, приходящуюся на единицу объема V кристалла, см³. Таким образом, размерность плотности дислокаций, см^-2:

ρ = Σl/V.

Плотность дислокаций экспериментально определяют путем подсчета числа вышедших на единицу площади шлифа дислокационных линий.

Дислокации присутствуют в металлических кристаллах в огромном количестве (10⁶– 10¹² см^-2) и обладают легкой подвижностью и способностью к размножению. Большое влияние на механические и многие другие свойства металлов и сплавов оказывает не только плотность, но и расположение дислокаций в объеме.

Взаимодействие дислокаций может приводить к формированию сетки дислокаций, которая разделяет кристалл на области с несколько различной пространственной ориентацией. Сеть дислокаций, таким образом, формирует границу субзерен.

Краевая дислокация (линейная) представляет собой «лишнюю» атомную полуплоскость (экстраплоскость), т.е. плоскость, которая проходит не через весь кристалл, а только через его часть. Представим себе кристалл с координационной решеткой, мысленно надрезанный вдоль плоскости АВС по линии АВ (рис.1.5). Атомные полусетки, лежащие друг над другом, пронумеруем одинаково 1 и 1, 2 и 2. Приложим усилие, определяемое вектором сдвига (вектор Бюргерса), перпендикулярным AD, причем произойдет смещение атомов, лежащих в плоскости ВСDA (плоскость сдвига), таким образом, что каждый атом вдоль трансляции ВА сместится на один период идентичности в соседний узел. Так же сместятся все вышележащие атомы. Теперь атомы верхней полуплоскости 1 расположатся над атомами нижней полуплоскости 2; атомы верхней полуплоскости 2 - над атомами нижней 3 (рис. 1.5, b и с). Последняя перед краем разреза АD верхняя полуплоскость 4 окажется как бы «подвешенной» в решетке: под ней никакой полуплоскости нет (рис.1.5, с).

Винтовая дислокация. Представим себе кристалл, разрезанный вдоль некоторой плоскости до линии АD. Приложим усилие параллельно АD. В результате чего атомы сместятся на один период идентичности (рис. 1.6), так что атомы сетки 1 подойдут к атомам сетки 2, атомы сетки 2 – к атомам сетки 3. Тогда каждая сетка уподобится винтовой лестнице, а линия дислокации АD – их вертикальной несущей опоре.

Трещины (рис. 1.7, а)возникают в результате небольшой разориентировки двух прилегающих частей монокристалла.

Рис. 1.5. Краевая дислокация и микрокаверна.

- атом в узле [ ] - вакансия в узле - всасывание

- атом примеси [ ] - вакансия в отсутствующей полуплоскости

- знак дислокации отталкивание - область напряжений

a) – исходное состояние в начале приложения усилия (по вектору Бюргерса); b) – сдвиг 1-4 полуплоскостей с образованием краевой дислокации AD; с)- краевая дислокация; d) – взаимодействие краевой дислокации с атомами примеси (заштрихована область напряженного состояния решетки); e) – взаимодействие краевой дислокации с вакансиями с образованием микрокаверны; f) – расширение последней за счет стекания вакансий.

Рисунок 1.6. Винтовая дислокация.

Рисунок 1.7. Трещины, мозаика, микрокаверны.

Мозаика (рис. 1.7, b) – возникает вследствие статистически беспорядочной ориентировки под любыми, чаще под очень малыми углами отдельных монокристаллических зерен.

При росте из расплава, из пара и в других случаях между зернами и внутри них могут остаться не занятые атомами полости – микрокаверны. Микрокаверны (рис. 1.7, с) могут быть открытыми (внешними) и закрытыми (внутренними). Первые сообщаются с внешней средой, окружающей кристалл, вторые – нет.

Уровни структуры материалов.

Строение металлов, как и строение других материалов, следует рассматривать на макро, мезо, микро и нано уровнях (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Уровни структуры материалов.

Макро уровень соответствует размерам от одного метра до одного миллиметра (1 – 10^-3м). Образцы металлов или изделия из них, полученные кристаллизацией из расплава, или в процессе отжига представляют собой поликристаллические тела, которые состоят из зёрен или доменов с линейными размерами от десятых долей миллиметра до десятков миллиметров. Реальные изделия из металлов и сплавов содержат также поры и трещины. На макро уровне металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии проявляют ряд свойств, которые характеризует металлическое состояние веществ. Металлы имеют высокие значения теплопроводности и электрической проводимости, проявляют положительный температурный коэффициент электрического сопротивления. С повышением температуры электрическое сопротивление чистых металлов возрастает. Большое число металлов (~30) обладает сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление скачкообразно уменьшается до нуля). Металлы проявляют термоэлектронную эмиссию – способность испускать электроны при нагреве. Металлы непрозрачны, обладают металлическим блеском, хорошей отражательной способностью, повышенной способностью к пластической деформации.

К мезо уровню относятся размеры от одного миллиметра до одного микрона (10^-3-10^-6м). Мельчайшие кристаллики, из которых образованы зерна поликристаллических образцов, называются кристаллитами. Их линейные размеры составляют от миллиметров до одной сотой микрона (10^-3-10^-8м). Во многих случаях кристаллиты в материалах различно ориентированы по отношению друг к другу. Кристаллиты, имеющие близкие кристаллографические ориентации в пространстве,образуют зёрна и домены. Эксплуатационные свойства металлических материалов, в частности сталей в значительной степени зависят от размеров кристаллитов и зёрен.

Микро уровень составляют размеры от одного микрона до одного нанометра (10-6-10-9 м). Атомы металлических элементов и их сплавов образуют кристаллическую структуру, в которой выделяются элементарная ячейка, атомные ряды, а также нанофлуктуации состава.

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 782; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!