|
| |
|
Главная Промышленность различных групп периодической таблицы элементов; образование их определяется размерным фактором: атомный радиус элемента В меньше, чем атомный радиус элемента А, на 20-30%. Фазы Лавеса имеют упорядоченные сложные кубические или гексагональные решетки; в магнитном поле они ведут себя как диамагнетики. Фазы Лавеса, образованные переходными металлами (NbFe2, МоЕсз, TiFe2, TiCr2), присутствуют в структуре некоторых жаропрочных сплавов и способствуют их упрочнению (см. п. 14.3). Сигма-фазы. Эти фазы переменного состава образуются при сплавлении переходных металлов, имеющих близкие размеры атомов; о-фазы имеют частично упорядоченную сложную решетку. В железных сплавах, содержащих больше 20% Сг, которые используются как коррозионно-стойкие конструкционные материалы, очень медленное охлаждение из области твердого раствора или изотермические выдержки при 800-600 °С приводят к образованию кристаллов о-фазы, которое сопровождается резким увеличением твердости и охрупчиванием сплавов. 1.4. Дефекты кристаллов Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, а поэтому нет идеально правильного расположения атомов во всем объеме кристалла. Дефекты кристаллов подразделяют на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Размеры точечного дефекта близки к межатомному расстоянию. У линейных дефектов длина на несколько порядков больше ширины; у поверх- ностных дефектов мала толщина, а ширина и длина больше ее на несколько порядков. Объемные дефекты (поры, трещины) имеют значительные размеры во всех трех направлениях. Точечные дефекты. К самым простым точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис. 1.19). Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки; межузельным атомом называется атом, перемещенный из узла в позицию между узлами. Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов. Каждой температуре соответствует равновесная кошентрация вакансий, а также межузельных атомов. Например, в меди при температуре 20-25 °С содержится 10"" ат. % вакансий, а вблизи точки плавления-уже 0,01 ат. % (одна вакансия приходится на W атомов). Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами. В последнем случае концентрация вакансий и межузельных атомов одинакова: выбитые из узлов решетки атомы становятся межузельными атомами, а освободившиеся узлы становятся вакансиями. С течением времени избыток вакансий сверх равновесной концентрации уничтожается на свободных поверхностях кристалла, порах, границах зерен и дру-  Рис. 1.19. Точечные дефекты в кристаллической решетке: а - вакансия; 6 - межузель-ный атом; в - примесный атом внедрения Рис. 1.20. Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций  гих дефектах решетки. Места, где исчезают вакансии, называются стоками вакансий. Убыль вакансий объясняется их подвижностью и непрерывным перемещением в решетке. Соседний с вакансией атом может занять ее место и оставить свободным свой узел, в который затем переходит другой атом. Чем выше температура, тем больше концентрация вакансий и тем чаще они переходят от узла к узлу. Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов: диффузия, спекание порошков и т. д. В ионных и ковалентных кристаллах вакансии и другие точечные дефекты электрически активны и могут быть как донорами, так и акцепторами. Это создает в кристаллах преобладание определенного типа проводимости. В ионных кристаллах электрическая нейтральность кристалла сохраняется благодаря образованию пары точечных дефектов: вакансия-ион, у которых электрические заряды имеют противоположные знаки. Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и, в определенной мере, влияют на физические свойства. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют. Лишь при больших концентрациях дефектов в облученных металлах понижается пластичность и заметно изменяются другие свойства. Линейные дефекты. Важнейшие виды линейных несовершенств-краевые и винтовые дислокации (рис. 1.20, 1.21). Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решетке (рис. 1,20. а). Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Он получается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле (рис. 1.22, а), пере-  Рис. 1.21. Дислокации в отожженном сплаве Fe + 3%A1: а - изображение дислокаций на снимке; б - расположение дислокаций в фольге, х 40000 ХОДЯ ОТ узла к узлу, а затем этот же путь повторить в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура. Как видно из рис. 1.22, б в реальном кристалле контур окажется незамкну-
а) 6) Рис. 1.22. Определение вектора Бюргерса БД тым. Вектор, который нужен для замыкания контура, называется вектором Бюргерса. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации - параллелен ей. Плотность дислокаций-суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема. В полупроводниковых кристаллах она равна \{f-\0 см~, у отожженных металлов-10 - 10* см~ При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 10" - 10 см". Попытка увеличить плотность свыше 10 см~ быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла. Дислокации появляются при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов. Дислокации наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении второй фазы из твердого раствора. Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации-так называемую атмосферу Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл. Зерно I Граница Зерно  Плотность дислокации Рис. 1.23. Зависимость предела текучести от плотности дефектов: I - идеальный кристалл без дефектов; 2 - бездефектные кристаллы «усы»; 3 - отожженные металлы; 4 - металлы с увеличенной плотностью дефектов после обработки Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определенный предел текучести металлов в 1000 раз меньше теоретического значения. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженным состоянием. Прочность бездефектных участков (в том числе длинных и тонких «усов», полученных кристаллизацией из газовой фазы) приближается к теоретической (рис. 1.23). В полупроводниках дислокации влияют на электрические и другие свой-  0) е; Рис. 1.24. Схемы строения большеугловых (а) и малоугловых (б) границ 0 1 2 3 4 5 6 [ 7 ] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
