Дефекты кристаллического строения металлов: Рекомендации к практическим занятиям

МИНИСТЕРСТВООБЩЕСТВЕННОГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра металловедения, оборудования и

технологии термической обработки

ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Рекомендации к практическим занятиям

Специальность «металловедение и термическая обработка металлов» (110500)

Новокузнецк

1999

УДК 669.017

Дефекты кристаллического строения металлов. Рекомендации к практическим занятиям. / Сост. В.П. Морозов, А.Ф. Софрошенков; СибГИУ. – Новокузнецк, 1999. -   с.   ил.

Кратко изложена теория дефектов кристаллического строения металлов, дан анализ точечных, линейных и поверхностных дефектов, показано влияние дефектов на прочность металла. В конце каждого раздела приведены контрольные вопросы, охватывающие весь материал курса и к каждой теме прилагаются задачи, решение которых поможет студентам освоить курс. Даны указания к решению ряда типовых задач.

Предназначено для студентов специальности «Металловедение и термическая обработка металлов» (110500).

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.

Теоретические сведения

СТРУКТУРНАЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЯ

Атомы (частицы) твердого тела стремятся к такому расположению в пространстве, чтобы их энергия была минимальной. Для описания такой структуры пользуются понятием  “кристаллографическая решетка”.

В кристаллической решетке можно выделить наименьший объем кристалла, трансляцией которого в пространстве можно построить весь кристалл. Этот элементарный объем, который характеризует строение данного типа кристалла, называется элементарной ячейкой.

Большинство металлов образуют решетки с плотной упаковкой атомов: кубическую объемноцентрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК) и гексагональную (ГПУ).

Кристаллические решетки характеризуют следующие основные параметры: период решетки, координационное число, атомный радиус, энергия решетки, базис и коэффициент компактности.

В общем случае элементарная решетка представляет собой параллелепипед. Вершины параллелепипедов называются узлами решетки. Плоскости, проведенные через узлы решетки, называются кристаллографическими плоскостями. Прямые, проведенные через узлы решетки, называются кристаллографическими направлениями.

Плотность атомов в различных кристаллографических направлениях и плоскостях различна, поэтому свойства кристалла в различных направлениях также различны. Это явление называется анизотропией.

Для определения кристаллографических направлений и плоскостей пользуются индексами Миллера.

Идеальная кристаллическая решетка, характеризующаяся строгой периодичностью, не может быть получена в реальных условиях. Реальный кристалл не имеет идеально правильного расположения атомов по всему объему. Для реального металла характерно наличие значительного количества дефектов атомно-кристаллической структуры, которые весьма существенно отражаются на свойствах материала.

Структурные дефекты классифицируются по их пространственной протяженности в кристалле: на точечные, линейные и поверхностные.

ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ

К точечным дефектам относятся: вакансии, межузельные атомы, примесные атомы.

Вакансии и атомы замещения могут находиться в любых узлах решетки. Межузельные атомы и примесные атомы внедрения располагаются преимущественно в пустотах (порах) (рис.1) [1].

Так, в ОЦК решетке коэффициент компактности равен 0,68. В ГЦК и ГПУ решетках - 0,74. Это дает возможность в пустотах указанных решеток располагаться межузельным и примесным атомам.

В совершенном кристалле межузельные атомы и вакансии могут образоваться по механизму Френкеля: при выходе атома в междоузлие из его нормального положения в результате получения избытка энергии от соседей. В итоге (если все узлы заняты) атом располагается в междоузлии (дислоцированный атом), а на его месте остается вакансия (дырка).

Значительно легче образуются тепловые вакансии по Шоттки. Атом поверхностного слоя, приобретая избыток энергии от соседей, легко испаряется. На его место переходит соседний атом из более глубокого слоя. Таким путем образуется вакансия, переходящая в глубь кристалла.

Точечные дефекты не являются закрепленными в определенных объемах зерна. Они непрерывно мигрируют в результате диффузии.

Образование точечных дефектов связано с расходом энергии, основная