Вопросы для самоподготовки к зачетам и экзаменам по материаловедению

 Каждая решетка  имеет свое координационное число  – число атомов, находящихся на наиболее близком и одинаковом расстоянии от данного атома. Чем оно больше, тем плотнее. Плотность упаковки – отношение объема, занимаемого  атомами  данной решетки к объему все решетки. Для определения атомных плоскостей в пространстве, т.е плоскостей, проходящих через атомы, пользуются индексами. NKL – индексы Мюллера, они представляют собой 3 целых рациональных числа, по величине равных обратным отрезкам, отсекаемых данными плоскостями на осях координат. Единицы длины вдоль этих осей выбирают равными длинам ребер элементарных ячеек. 

 Анизотропия – свойства разные. Она реще выражена у металлов с гексагональными  решетками, т.е она менее симметрична. В этом случае в зависимости от направления для всех свойств ( тепловых, электрических и т.п) В основе анизотропии лежит то, что межплоскостные расстояния и плотность расположения (упаковки) атомов зависит от направления в кристалле, т.к сила связи атомов зависит от расстояния между плоскостями. Реже анизотропия проявляется в монокристаллах, полученных искусственным путем. В промышленности чаще используют поликристаллы. (чем меньше зерно, тем свойства лучше и прочнее). В случае поликрист. Строения металла анизотропии нет, т.к среднестатист. расстояние между атомами по всем направлениям оказываются примерно одинаковыми.

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 7. Строение реальных кристаллов. Большеугловые и малоугловые границы.

 Идеальное строение металлов может объяснить многие их свойства: плотность, тепловое расширение, упругие свойства, удельная теплоемкость. Все эти свойства называются структурными, но нечувствительными. Однако, все реальные кристаллы неидеальны. В их строении всегда присутствуют дефекты, называемые несовершенствами или дефектами кристаллического строения. Дефекты оказывают сильное влияние на некоторые важные свойства: прочность, пластичность, электропроводность. Эти свойства, сильно зависящие от дефектов, называются структурными чувствительными. Все дефекты делятся на следующие группы:

 1)точечные – вакансии, атомы внедрения, атомы примесей. Эти дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Размеры точечных дефектов соизмеримы во всех 3 направлениях с размерами атомов.

  * - вакансия. В этом месте решетка деформируется, сжимается. Возможно 2 механизма:

 1)по Шотки 

 2) по Френкелю Два дефекта – вакансия и внедренный атом; 

 Возможно  образование примесных атомов. Они  могут проникать внутрь кристаллической  решетки и будут называться внедренной примесью. Примесный атом образует атомы с малым атомный радиусом (O2, H2,N2), но они деформируют решетку. Примеси замещения занимают узлы кристаллической решетки, т.е замещают собственные атомы. В этом случае решетка о5 искажается. Точечные дефекты играют важную роль, особенно вакансии. Они ответственны за процесс диффузии – основной механической диффузии – движение вакансии. Точечные дефекты оказывают влияние на электро и теплопроводность, кроме того, точечные дефекты взаимодействуют с линейными дефектами, оказывают заметное влияние на механические свойства.

 2) линейные  дефекты – (дислокации) в одном направлении протяженные, а в других соизмеримы с размерами атомов.

 Линейные  дефекты – цепочки примесных  атомов, цепочки внедренных атомов, цепочки вакансий и дислокаций. Поведение дислокаций определяет механические свойства.

 Дислокации  могут быть краевые и винтовые.

 3) поверхностные  дефекты – границы зерен, межфазовые  границы, дефекты упаковки;

 Если  под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение. Наиболее дефектные участки в структуре – границы зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков 10^-5…10^-6 см. Это так называемые блоки мозаики.

 Граница стыков между блоками так же являются дефектными участками в структуре. Блоки можно наблюдать только с помощью электронного микроскопа, увеличивающего в десятки тысяч раз.

 Блоки разориентированы друг относительно друга  на угол в несколько минут. Блоки  могут объединяться в более крупные  образования, которые получили названия фрагменты.

 4) объемные  дефекты. 
 
 
 
 

 8. Дефекты кристаллического  строения металлов. Точечные дефекты. Краевая и винтовая  дислокации. Вектор Бюргерса. Плотность дислокаций.

 Идеальное строение металлов может объяснить многие их свойства: плотность, тепловое расширение, упругие свойства, удельная теплоемкость. Все эти свойства называются структурными, но нечувствительными. Однако, все реальные кристаллы неидеальны. В их строении всегда присутствуют дефекты, называемые несовершенствами или дефектами кристаллического строения. Дефекты оказывают сильное влияние на некоторые важные свойства: прочность, пластичность, электропроводность. Эти свойства, сильно зависящие от дефектов, называются структурными чувствительными. Все дефекты делятся на следующие группы:

 1)точечные – вакансии, атомы внедрения, атомы примесей. Эти дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Размеры точечных дефектов соизмеримы во всех 3 направлениях с размерами атомов.

  * - вакансия. В этом месте решетка  деформируется, сжимается. Возможно 2 механизма:

 1)по Шотки

 2) по Френкелю Два дефекта – вакансия и внедренный атом; 

 Возможно  образование примесных атомов. Они  могут проникать внутрь кристаллической  решетки и будут называться внедренной примесью. Примесный атом образует атомы с малым атомный радиусом (O2, H2,N2), но они деформируют решетку. Примеси замещения занимают узлы кристаллической решетки, т.е замещают собственные атомы. В этом случае решетка о5 искажается. Точечные дефекты играют важную роль, особенно вакансии. Они ответственны за процесс диффузии – основной механической диффузии – движение вакансии. Точечные дефекты оказывают влияние на электро и теплопроводность, кроме того, точечные дефекты взаимодействуют с линейными дефектами, оказывают заметное влияние на механические свойства.

 2) линейные  дефекты – (дислокации) в одном направлении протяженные, а в других соизмеримы с размерами атомов.

 Линейные  дефекты – цепочки примесных  атомов, цепочки внедренных атомов, цепочки вакансий и дислокаций. Поведение  дислокаций определяет механические свойства.

 Дислокации  могут быть краевые и винтовые.

 Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

 Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.

Важной характеристикой  дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема ( )

В наиболее совершенных  кристаллах плотность дислокации равна = 10⁶…10⁸ см^-2.

В деформированных  = 10⁶...10⁸см^-2 

Этот вектор определяется с помощью контура  Бюргерса,  который проводится через  атомы в решетке в двух взаимно  перпендикулярных направлениях. Если контур проводится  в совершенной решетке, то он является замкнутым прямоугольником, в котором последний из векторов приходит в начальную точку. Если же контур охватывает дислокацию, то он имеет разрыв, величина и направление которого определяет вектор Бюргерса дислокации. Из схемы видно, что вектор  Бюргерса  краевой дислокации  ориентирован  перпендикулярно линии дислокации – это отличительная особенность краевой дислокации. Вектор Бюргерса винтовой дислокации ориентирован параллельно линии дислокации. Краевая дислокация, у которого линия полуплоскость расположена в  верхней части кристалла, называется положительной, и обозначается перевернутая т, если внизу, то отрицательная и обозначается Т.

Движение  дислокации в кристалле:

Дислокационная линия имеет разные формы и направления. Как правило она находится в плоскостях плотнейшей упаковки с большим межплоскостным расстоянияем. Результатом прохождения через кристалл дислокации является сдвиговое смещение на вектор Бюргерса. Направление в наиболее плотной упаковки называется направлением скольжения.  Дислокация, в которой вектор Бюргерса лежит в плоскости скольжения называется подвижными или скользящими.  Подвижные дислокации могут сравнительно легко проходить через кристалл. При их движении не требуется переноса материала, т.е движение атомов на расстояние, большее межпластинчатых, такое движение называют консервативным. Консервативное движение – силовое, оно требует усилий. Дислокации при этом легко подвижные. Металлы, у которых больше плоскостей скольжения, являются более пластичными. Дислокации бывают сидячими. Их особенностью  является то,  что вектор не лежит в плоскости скольжения. Перемещение таких дислокаций возможно лишь за счет подвода атомов с края экстра плоскости или за счет испарения атомов с ее края. Это движение является неконсервативным.

В результате появления  напряжения появляется сила, действующая на дислокацию.

F=τ * b, где τ – напряжение, b – вектор Бюргерса.

Энергия дислокации.

Дислокация обладает собственным упругим полем и  вносит изменения в упругое поле кристалла. Это определяет многие свойства кристалла, такие как взаимодействие с решеткой, друг с другом,  с точечными дефектами и т.д.  Существует понятие плотность дислокации – длина дислокации в 1 см³. При плотности 10⁶…10⁸ см^-2 энергия дислокации будет равна W=b²*G на длине, равной одному межпластинчатому расстоянию, G  - модуль сдвига. ρ = дельта L/ V см^-2. плотность может быть определена как число дислокаций, пересекающих единицу площади.

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

9. Роль дислокации  в упрочнении металлов. Способы повышения  прочности металлов  и сплавов. 

Велико влияние  дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря дислокациям экспер. Определ предел текучести  Ме в 1000 раз больше теоретич значения. При значит увелич  плотности дислок  и уменьшении их подвижности  прочность увел в неск-ко раз по сравнению с отожженным состоянием. Плотность бездефектных участков приближ к теоретич. В полупр дислок влияют на электрические и другие св-ва считают электрич сопротивление. Уменьш время носителей значение дисл особенно возрастает в микроэлектронике, где применяют тонкие пленочные кристаллы, и дисл играют роль тонких проводящих каналлов, вдоль которых легко перемещ-ся атомы примеси. Причины упрочнения:

Увеличение плотности  дислок(происходит уменьшение их свободн  длины прбега, возник напряж, увелич прочн-и, твердости матер)

Выпадение субмикроскоп элементов по плоскостям скольжения.

Дислакац барьеры

ХПД за счет уплотнени  дислокаций

Легир-ть (тв раствор  внедрения дисл упрочн.)

Справка:

Линейные дефекты  получили название – дислокации.

Дислокации бывают краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

Так же есть и  винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.

Важной характеристикой  дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема ( )

В наиболее совершенных  кристаллах плотность дислокации равна  = 10⁶…10⁸ см^-2.

В деформированных  = 10⁶...10⁸см^-2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

10. Понятие о наклепе,  текстуре деформации  и анизотропии  механических свойств. 

Упрочнение Ме при деформировании наз-ют наклепом. Наклеп Ме увел-ся до момента разрыва образца, хотя растягивающ. Нагрузка изменяется от Рmax  до Рк. Это объясняется появлением местного утонения. В образце участки в которых сосредотачив. пластич. деформация. При значительности деформации в Ме  появляется кристаллографическая ориентация зерен, кот наз-ся  текстура деформации. Текстура деформации – это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения. Она зависит от вида деформирования, кристалич стр-ры Ме, наличия примесей и условий деформирования.  При прокатке получ-ся более сложная текстура. В этом случае  параллельно плоскости прокатки лежит кристаллогафич пл-ть и направление которой образует с напрвлением прокатки опред угол a. Текстура деформации делает Ме анизотропным. Анизотропия – различие св-в кристаллов в различн направлениях. Все св-ва, кот зависят от сил в/д атомов  спр-ся кристаллограф направл.  Анизотропия резче выражена в кристаллах  с несиметричной  крист решеткой. В этом случае зависит от направления натл-ся для всех св-св. В рез-те ХПД и тех явл  происх гуменен .