Дефекты кристаллической решётки

Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. Термодинамика, миграция, источники и комплексы точечных дефектов. Методы избавления от дефектов. Полезные дефекты.

Рубрика Производство и технологии
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 16.05.2022
Размер файла 111,9 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

КЫРГЫЗСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Ж.БАЛАСАГЫНА

ФАКУЛЬТЕТ ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

СРС

На тему: Дефекты кристаллической решётки

Выполнила: Келечек Кызы Айжанат

Группа: ХТ-1-19

Проверил: Саркелов Ж.С.

Содержание

Введение

1. Нульмерные дефекты

1.1 Термодинамика точечных дефектов

1.2 Миграция точечных дефектов

1.3 Источники и стоки точечных дефектов

1.4 Комплексы точечных дефектов

2. Одномерные дефекты

3. Двумерные дефекты

4. Трёхмерные дефекты

5. Методы избавления от дефектов

6. Полезные дефекты

7. Дефекты кристаллической решетки металла

Литература

Введение

Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла -- идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько разновидностей дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты.

1. Нульмерные дефекты

дефект кристаллическая решетка

К нульмерным (или точечным дефектам) кристалла относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Могут вноситься также в результате имплантации. Наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение.

· вакансия -- свободный, незанятый атомом, узел кристаллической решетки.

· Собственный межузельный атом -- атом основного элемента, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки.

· Примесный атом замещения -- замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки. В позициях замещения могут находиться атомы, которые по своим размерам и электронным свойствам относительно слабо отличаются от атомов основы.

· Примесный атом внедрения -- атом примеси располагается в междоузлии кристаллической решетки. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках -- это примеси, создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии.

В кристаллах часто наблюдаются также комплексы, состоящие из нескольких точечных дефектов, например: пара Френкеля (вакансия + собственный междоузельный атом), дивакансия (вакансия + вакансия), А-центр (вакансия + атом кислорода в кремнии и германии) и др.

1.1 Термодинамика точечных дефектов

Точечные дефекты повышают энергию кристалла, так как на образование каждого дефекта была затрачена определенная энергия. Упругая деформация обуславливает очень малую долю энергии образования вакансии, так как смещения ионов не превышают 1 % и соответствующая им энергия деформации составляет десятые доли эВ. При образовании межузельного атома смещения соседних ионов могут достигать 20 % от межатомного расстояния, а соответствующая им энергия упругой деформации решетки -- нескольких эВ. Основная доля образования точечного дефекта связана с нарушением периодичности атомной структуры и сил связи между атомами. Точечный дефект в металле взаимодействует со всем электронным газом. Удаление положительного иона из узла равносильно внесению точечного отрицательного заряда; от этого заряда отталкиваются электроны проводимости, что вызывает повышение их энергии. Теоретические расчеты показывают, что энергия образования вакансии в ГЦК решетке меди составляет около 1 эВ, а межузельного атома -- от 2.5 до 3.5 эВ.

Несмотря на увеличение энергии кристалла при образовании собственных точечных дефектов, они могут находиться в термодинамическом равновесии в решетке, так как их образование приводит к росту энтропии. При повышенных температурах рост энтропийного члена TS свободной энергии F = U - TS из-за образования точечных дефектов компенсирует рост полной энергии кристалла U, и свободная энергия оказывается минимальной.

Равновесная концентрация вакансий:

где E0 -- энергия образования одной вакансии, k -- постоянная Больцмана, T -- абсолютная температура. Эта же формула справедлива для межузельных атомов. Формула показывает, что концентрация вакансий должна сильно зависеть от температуры. Формула для расчета проста, но точные количественные значения можно получить, только зная величину энергии образования дефекта. Рассчитать же теоретически эту величину весьма трудно, поэтому приходится довольствоваться лишь приближенными оценками.

Так как энергия образования дефекта входит в показатель степени, то это различие обусловливает громадную разницу в концентрации вакансий и межузельных атомов. Так, при 1000 °C в меди концентрация межузельных атомов составляет всего лишь 10?39, что на 35 порядков меньше концентрации вакансий при этой температуре. В плотных упаковках, какие характерны для большинства металлов, очень трудно образовываться межузельным атомам, и вакансии в таких кристаллах являются основными точечными дефектами (не считая примесных атомов).

1.2 Миграция точечных дефектов

Перемещение атома на вакантное место в слое плотнейшей упаковки

Атомы, совершающие колебательное движение, непрерывно обмениваются энергией. Из-за хаотичности теплового движения энергия неравномерно распределена между разными атомами. В какой-то момент атом может получить от соседей такой избыток энергии, что он займет соседнее положение в решетке. Так осуществляется миграция (перемещение) точечных дефектов в объеме кристаллов.

Изменение энергии атома при перемещении его в вакантный узел

Если один из атомов, окружающих вакансию, переместится в вакантный узел, то вакансия соответственно переместится на его место. Последовательные элементарные акты перемещения определенной вакансии осуществляются разными атомами. На рисунке показано, что в слое плотноупакованных шаров (атомов) для перемещения одного из шаров в вакантное место он должен раздвинуть шары 1 и 2. Следовательно, для перехода из положения в узле, где энергия атома минимальна, в соседний вакантный узел, где энергия также минимальна, атом должен пройти через состояние с повышенной потенциальной энергией, преодолеть энергетический барьер. Для этого и необходимо атому получить от соседей избыток энергии, который он теряет, «протискиваясь» в новое положение. Высота энергетического барьера Em называется энергией активации миграции вакансии.

1.3 Источники и стоки точечных дефектов

Основным источником и стоком точечных дефектов являются линейные и поверхностные дефекты -- см. ниже. В крупных совершенных монокристаллах возможен распад пересыщенного твердого раствора собственных точечных дефектов с образованием т. н. микродефектов.

1.4 Комплексы точечных дефектов

Простейший комплекс точечных дефектов -- бивакансия (дивакансия): две вакансии, расположенные в соседних узлах решетки. Большую роль в металлах и полупроводниках играют комплексы, состоящие из двух и более примесных атомов, а также из примесных атомов и собственных точечных дефектов. В частности, такие комплексы могут существенно влиять на прочностные, электрические и оптические свойства твердых тел.

2. Одномерные дефекты

Одномерные (линейные) дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметра решетки, а по двум другим -- соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации и дисклинации. Общее определение: дислокация -- граница области незавершенного сдвига в кристалле. Дислокации характеризуются вектором сдвига (вектором Бюргерса) и углом ц между ним и линией дислокации. При ц=0 дислокация называется винтовой; при ц=90° -- краевой; при других углах -- смешанной и тогда может быть разложена на винтовую и краевую компоненты. Дислокации возникают в процессе роста кристалла; при его пластической деформации и во многих других случаях. Их распределение и поведение при внешних воздействиях определяют важнейшие механические свойства, в частности такие как прочность, пластичность и др. Дисклинация -- граница области незавершенного поворота в кристалле. Характеризуется вектором поворота.

3. Двумерные дефекты

Граница наклона

Основной дефект-представитель этого класса -- поверхность кристалла. Другие случаи -- границы зёрен материала, в том числе малоугловые границы (представляют собой ассоциации дислокаций), плоскости двойникования, поверхности раздела фаз и др.

4. Трёхмерные дефекты

Объёмные дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение -- нарушение режимов роста кристалла, распад пересыщенного твердого раствора, загрязнение образцов. В некоторых случаях (например, при дисперсионном твердении) объемные дефекты специально вводят в материал, для модификации его физических свойств.

5. Методы избавления от дефектов

Основной метод, который помогает избавляться от дефектов в кристалле -- метод зонной плавки. Этот метод хорошо применим для кремния. Плавят малую часть кристалла, чтобы впоследствии перекристаллизовать расплав. Используют также просто отжиг. Дефекты при повышенной температуре обладают высоким коэффициентом диффузии. Вакансии могут выходить на поверхность, и поэтому говорят об испарении дефектов.

6. Полезные дефекты

При пластической деформации металлов (например, ковке, прокатке), генерируются многочисленные дислокации, по-разному ориентированные в пространстве, что затрудняет разрушение кристалла по сетке дислокаций. Таким образом увеличивается прочность металла, но в то же время снижается пластичность.

В искусственно выращенных рубинах, сапфирах для лазеров добавляют примеси (Cr, Fe, Ti) элементов -- окрашивающие центры, которые участвуют в генерации когерентного света.

7. Дефекты кристаллической решетки металла

Кристаллическая решетка, в которой отсутствуют нарушения сплошности и все узлы заполнены однородными атомами называется идеальной кристаллической решеткой металла.

В решетке реального металла могут находиться различные дефекты.

Все дефекты кристаллической решетки принято делить на точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Точечные дефекты соизмеримы с размерами атомов. К ним относятся вакансии, т.е. незаполненные узлы решетки, межузельные атомы данного металла, примесные атомы замещения, т.е. атомы, по диаметру соизмеримые с атомами данного металла и примесные атомы внедрения, имеющие очень малые размеры и поэтому находящиеся в междоузлиях.

Влияние этих дефектов на прочность металла может быть различным в зависимости от их количества в единице объема и характера.

Линейные дефекты имеют длину, значительно превышающую их поперечные размеры. К ним относятся дислокации, т.е. дефекты, образующиеся в решетке в результате смещений кристаллографических плоскостей.

Дислокации бывают двух видов.Она образуется в результате возникновения в решетке, так называемой полуплоскости или экстраплоскости.

Нижний ряд экстраплоскости собственно и принято называть дислокацией.

В винтовой дислокации, так же как в краевой, существенные искажения кристаллической решетки наблюдаются только вблизи оси, поэтому такой дефект может быть отнесен к линейным.

Дислокации обладают высокой подвижностью, поэтому существенно уменьшают прочность металла, так как облегчают образование сдвигов в зернах-кристаллитах под действием приложенных напряжений.

Дислокационный механизм сдвиговой пластической деформации внутри кристаллов может привести к разрушению изделия. Таким образом, дислокации непосредственно влияют на прочностные характеристики металла.

Для оценки этого влияния используется плотность дислокаций, под которой принято понимать отношение суммарной длины дислокаций к объему содержащего их металла. Плотности дислокаций измеряется в см2 или м2

Литература

* Границы зерен и свойства металлов. Кайбышев О.А., Валиев Р. З. М.:Металлургия, 1987. 214 с.

* Штемпель М. А. Прочность сплавов. Ч.I. Дефекты решетки. М., 1982

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Точечные дефекты в кристаллической решетке реальных металлов: вакансии, дислоцированные атомы и примеси. Образование линейных дефектов (дислокаций). Роль винтовой дислокации в формировании растущего кристалла. Влияние плотности дислокаций на прочность.

    презентация [205,4 K], добавлен 14.10.2013

  • Классификация дефектов кристаллической решетки металлов. Схема точечных дефектов в кристалле. Дислокация при кристаллизации или сдвиге. Расположение атомов в области винтовой дислокации. Поверхностные или двухмерные дефекты. Схема блочной структуры.

    лекция [4,4 M], добавлен 08.08.2009

  • Основные группы дефектов, их характерные признаки, расположение и закономерности трансформации: продольные и поперечные трещины. Внутренние дефекты: центральная (осевая) пористость, подкорковый пузырь. Методы профилактики и борьбы с данными дефектами.

    курсовая работа [6,8 M], добавлен 09.02.2015

  • Основные этапы изготовления одежды. Способы соединения деталей. Разновидности дефектов, механизм их появления и методы устранения. Технологические дефекты транспортировки и хранения готовых швейных изделий. Дефекты моделирования и способы их устранения.

    курсовая работа [67,7 K], добавлен 19.11.2013

  • Развитие и промышленное применение сварки. Основные дефекты сварных швов и соединений, выполненных сваркой плавлением. Нарушение формы сварного шва. Влияние дефектов на прочность сварных соединений. Отклонения от основных требований технических норм.

    курсовая работа [1,0 M], добавлен 13.06.2016

  • Дефекты сварных швов и соединений, выполненных сваркой. Причины возникновения дефектов, их виды. Способы выявления дефектов сварных швов и соединений. Удаление заглубленных наружных и внутренних дефектных участков, исправление швов сварных соединений.

    контрольная работа [2,0 M], добавлен 01.04.2013

  • Основные типы решеток, точечные и линейные дефекты. Связь строения кристаллической решетки с механическими и физическими свойствами материала. Реальное строение кристаллов, формы пластической деформации. Свойства металлов, применяемых в строительстве.

    реферат [218,2 K], добавлен 30.07.2014

  • Дефекты сварки и причины их появления. Влияние свойств стали на образование дефектов в сварных соединениях и методы их выявления. Размеры, контролируемые измерением при подготовке деталей под сварку. Измерительный контроль качества сборки изделия.

    презентация [522,9 K], добавлен 08.03.2015

  • Характер и причины возникновения дефектов в процессе сварки в металле шва и зоне термического влияния, виды и негативные последствия. Методы контроля для обнаружения дефектов, порядок устранения. Трудности при сварке чугуна, обусловленные его свойствами.

    реферат [209,9 K], добавлен 04.06.2009

  • Характеристика основных дефектов, возникающих при нагреве непрерывно литой заготовки с холодного посада: трещины, окисление, обезуглероживание, перегрев, пережог, недогрев, непрогрев. Главные дефекты прокатки, порядок и инструменты их устранения.

    курсовая работа [904,0 K], добавлен 13.12.2010

  • Отличия макро- и микроскопического строения материалов. Сравнение теплопроводности древесины и стали. Классификация дефектов кристаллического строения. Причины появления точечных дефектов. Особенности получения, свойства и направления применения резин.

    контрольная работа [318,1 K], добавлен 03.10.2014

  • Металловедение, типы межатомной связи. Дефекты кристаллической решетки. Виды линейных дислокаций. Маркировка чугунов и стали. Основы термической обработки, отпуск. Виды и принципы экологической сертификации. Сертификация продукции и производства.

    шпаргалка [42,3 K], добавлен 22.06.2009

  • История развития сварки, создатели нового направления в производстве металлических конструкций. Классификация дефектов в сварочных работах, их причины и способы устранения. Выбор сварочного оборудования, приспособления и инструменты, техника безопасности.

    курсовая работа [42,0 K], добавлен 20.01.2011

  • Теория термической обработки. Превращения в стали при нагреве и охлаждении. Отжиг и нормализация. Дефекты термической обработки. Дефекты при отжиге и нормализации. Дефекты при закалке. Химико-термическая обработка и поверхностное упрочнение стали.

    доклад [411,0 K], добавлен 06.12.2008

  • Основные виды дефектов в металлах. Обработка концов деталей и труб шлифовальной машиной. Изготовление подкладок и прокладок. Разметка и резка труб вручную. Должностная инструкция для слесарей по изготовлению узлов и деталей технологических трубопроводов.

    курсовая работа [20,6 K], добавлен 03.02.2011

  • Нахождение дефектов в изделии с помощью ультразвукового дефектоскопа. Визуально-оптический контроль сварных соединений на наличие дефектов. Методы капиллярной дефектоскопии: люминесцентный, цветной и люминесцентно-цветной. Магнитный метод контроля.

    реферат [1,4 M], добавлен 21.01.2011

  • История дисциплины "Техническая диагностика". Теоретические принципы технической диагностики. Установление признаков дефектов технических объектов. Методы и средства обнаружения и поиска дефектов. Направления развития методов и средств диагностики.

    реферат [1,1 M], добавлен 29.09.2008

  • Общая характеристика существующих неразрушающих методов контроля качества деталей. Классификация качества отливок по степени пораженности дефектами. Приборы и методы контроля. Практическая оценка качества поверхности литых заготовок при внешнем осмотре.

    практическая работа [708,3 K], добавлен 22.01.2014

  • Основные причины возникновения дефектов сварных швов. Виды дефектов: наплыв, подрез, непровар, наружные и внутренние трещины и поры, внутренний непровар, шлаковые включения. Неразрушающие и разрушающие методы контроля качества сварных соединений.

    реферат [651,0 K], добавлен 08.12.2010

  • Описание возможных дефектов работы коленчатого вала. Особенности наиболее рациональных способов восстановления дефектов. Разработка схемы и методики технологического процесса восстановления детали. Определение норм времени на выполнение операции.

    контрольная работа [144,7 K], добавлен 23.01.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.