Виды дефектов кристаллической решетки. Диаграмма прочность-плотность дефектов.

4.1. Реальные кристаллы все­г­да содержат некоторое число де­фек­тов кристалличес­кой стру­ктуры. Появление дефектов в крис­тал­лах неизбеж­но, посколь­ку они образуются уже в процессе выра­щи­­­вания монокристалла вещества. Их концентрация быстро воз­растает с температурой, а также при де­фор­ми­ро­ва­нии кристалла. Различают два ос­нов­ных вида де­фектов кристаллической решет­ки (рис. 1.10).

Точечные дефекты создаются при вне­д­рении в узлы и междоузлия идеальной кристаллической стру­­­­ктуры "чу­же­­род­­ных" атомов, например, при приготовле­нии сп­ла­­ва (рис. 1.10, а и б). Кроме того, к точечным дефектам от­но­сят­ся ва­кансии, то есть, не заполненные атома­ми основного ма­те­риала узлы кри­сталлической решетки. При этом атом ос­но­в­­ного ма­те­ри­ала может находиться рядом, в междоузлии крис­тал­ли­чес­­кой решетки (дефекты по Френкелю, рис. 1.10, в). Во­з­мо­жен слу­чай, когда атом вообще может испариться из объема ма­те­ри­а­ла и ва­кансия является одиночной (дефекты по Шот­тки, рис. 1.10, г).

То­чечные дефекты кристаллической решетки мо­гут об­ра­зо­вы­ва­ть­ся при бомбардировке поверхности крис­тал­ла ус­ко­­рен­ны­ми за­ря­женными ионами различных веществ. Де­фекты та­кого про­ис­хо­ж­дения называютрадиационными де­фек­тами.

Другим видом дефектов кристаллической структуры являются дислокации. Дислокация - это линейный дефект, за­к­­лю­­­­чающийся в сме­щении плоскостей кристаллической решетки от­­­но­си­тель­но друг друга. Различают два основных типа ди­сло­ка­ций:

линейная (краевая) дислокация представляет ре­зу­ль­тат не­­­полного сдвига кристаллической решетки. В итоге появляется не­­­законченная полуплоскость атомов (рис. 1.11, а);

вин­то­вая ди­с­­ло­­­кация возникает вследствие полного сдвига не­ко­то­ро­­го уча­с­тка решетки (рис. 1.11, б).

Дислокации возникают как в процессе выращивания монокристаллов, так и в результате их механической и термической обработки. Границы кристаллитов в поликристаллических телах также имеют дислокационную природу.

Выходы дислокаций на поверхность кристалла можно об­на­ру­­­жить по результатам травления кристалла в специа­ль­ном тра­ви­теле. В результате травления на поверхности кри­­сталла по­яв­ля­ю­тся ямки тра­в­ления, хорошо видимые под ми­кроскопом. Плот­ность дис­ло­ка­ций оценивают визуа­льно, под­считывая под микро­ско­пом число ямок тра­в­ле­ния на едини­це площади поверхности кри­сталла. На­при­мер, кри­с­талл по­лу­проводникового матери­ала при­годен к даль­ней­ше­му ис­­по­ль­­зованию, если плот­ность ди­сло­ка­ций в нем не пре­вы­ша­ет 10⁶10⁷ м^-2.

4.2.

 

 

5. Строение металлических сплавов (химические соединения, твердые растворы, механические смеси).

Под металлическим сплавом понимают вещество, получаемое сплавлением двух или более элементов с характерными металлическими свойствами. Металлические сплавы получают сплавлением элементов-металлов или металлов с неметаллами при преимущественном содержании металлов. Строение сплавов сложнее, чем чистых металлов.

Твердый раствор — сплав, у которого атомы растворимого элемента размещены в кристаллической решетке растворителя. На микрошлифе твердого раствора кристаллы после травления выглядят совершенно одинаково. На рис. 21 представлена микроструктура твердого раствора цинка в меди.

В кристаллах твердого раствора существует только один тип кристаллической решетки. Растворителем является тот элемент,кристаллическую решетку которого имеет твердый раствор. Растворимый элемент может либо замещать элемент-растворитель в узлах кристаллической решетки, либо располагаться в междоузлиях. По типу расположения атомов растворимого элемента в кристаллической решетке твердые растворы делят на две группы: замещения и внедрения.

Металлы образуют химические соединения как с металлами, так и с неметаллами. Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления (диссоциации), скачкообразным изменением свойств при изменении состава.

Химические соединения металлов с неметаллами образуются при строго определенных соотношениях входящих в них элементов, соответствующих нормальным валентностям. Атомы металлов в таких соединениях отдают свои валентные электроны неметаллам. Химические соединения металлов с неметаллами не обладают металлическими свойствами (например, А]203, FeO, NaCl и др.).

Химические соединения между двумя металлами или металлом и элементом со свойствами, переходными между металлом и неметаллом, обладают металлическими свойствами. Химические соединения дают металлы, далеко стоящие друг от друга в периодической таблице элементов Д. И. Менделеева и сильно отличающиеся по свойствам. Металлические свойства у химических соединений выражены слабее, чем у чистых металлов и твердых растворов.

Химические соединения имеют повышенную твердость и пониженную пластичность.

6. Диаграмма состояния и ее построение (метод термического анализа). Правило фаз.

6.1. Сущность термического метода построения диаграммы состояния сводится к определению критических температур при нагревании или охлаждении металлов и сплавов. Критическими называются температуры, при которых происходят фазовые превращения в сплаве (начало и конец кристаллизации, полиморфные превращения и другие).

В процессе охлаждения сплава (рис.1) вначале скорость охлаждения велика, затем она уменьшается, т.к. происходит кристаллизация одной из фаз, при которой выделяется некоторое количество тепла.

Рис. 1. График процесса кристаллизации сплавов	Рис. 2. Координатные оси при построении диаграммы состояния сплавов олово-цинк

При кристаллизации эвтектики происходит остановка охлаждения (площадка на кривой охлаждения), так как выделяемое тепло, в связи с кристаллизацией двух и более фаз одновременно, полностью компенсирует теплоотвод.

При охлаждении сплавов с различным содержанием компонентов получают ряд кривых, изображающих ход процесса охлаждения сплава.

Для двухкомпонентных систем при построении диаграмм по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс - концентрация элементов в сплаве (рис.2).

Общее содержание компонентов в сплаве 100 %, и поэтому каждой точке на диаграмме соответствует определенное содержание компонентов.

Критические температуры начала и конца кристаллизации, полученные при охлаждении сплавов, переносятся на координатные оси "температура-концентрация". Затем плавными линиями соединяются точки начала и конца кристаллизации сплавов. При наличии эвтектики в сплаве точки конца кристаллизации сплавов располагаются на одной прямой при температуре кристаллизации эвтектики (рис.4).

Сплавы на, диаграмме состояния, располагающиеся до точки эвтектики (слева направо), называются доэвтектическими, соответствующие точке эвтектики - эвтектическими, располагающиеся за точкой эвтектики - заэвтектическими. Структура этих сплавов на примере системы Zn-Sn показана на рис.3.

Рис.3. Схематическое изображение структуры системы олово-цинк: а) доэвтектический сплав, олово+эвтектика (Sn+Zn); эвтектический сплав, эвтектика (Sn+Zn); б) заэвтектический сплав цинк+эвтектика (Sn+Zn)

6.2. Пра́вило фаз — соотношение, связывающее число веществ (компонентов), фаз и степеней свободы в гетерогенной системе

Правило фаз записывается следующим образом:

где j — число фаз (например, агрегатных состояний вещества);

v — число степеней свободы, то есть независимых параметров (температура, давление, концентрация компонентов), которые полностью определяют состояние системы при равновесии и которые можно менять без изменения числа и природы фаз;

k — число компонентов системы — число входящих в систему индивидуальных веществ за вычетом числа химических уравнений, связывающих эти вещества. Иначе говоря, это минимальное количество веществ, из которых можно приготовить каждую фазу системы.

n — число переменных, характеризующих влияние внешних условий на равновесие системы.

При переменных давлении и температуре правило фаз сводится к выражению:

В случае однокомпонентной системы оно упрощается до:

,Отсюда видно, например, что в однокомпонентной системе три фазы (j=3) могут сосуществовать при числе степеней свободы v, равном нулю, то есть при фиксированных давлении и температуре, что соответствует тройной точке на фазовой диаграмме. Две фазы (j=2) сосуществуют при произвольном измененнии либо давления, либо температуры, когда вторая из этих переменных не является независимой (v=1), то есть двухфазному равновесию на фазовой диаграмме соответствует линия. Если фаза одна (j=1), число степеней свободы системы равно двум, то есть температура и давление могут менятся независимо в пределах некоторой области на фазовой диаграмме — пока система не окажется на одной из линий двухфазного равновесия.

Иногда правило фаз записывают следующим образом:

то есть при равновесии число фаз в системе меньше либо равно числу компонентов плюс 2.