Дефекты кристаллического строения

Полиморфизм

Полиморфизм – существование одного вещества в различных кристаллических формах (модификациях) в зависимости от внешних условий.

Температура перехода вещества из одной кристаллической формы в другую называется температурой полимоморфного превращения.

Рассмотрим температурный полиморфизм железа (рис. 1.5).

При нормальной температуре железо существует в форме магнитной ОЦК-кристаллической модификации (Fе_α), в процессе нагрева при t = 768 °C (точка магнитного превращения или температура Кюри) Fе_α переходит в немагнитную ОЦК-кристаллическую форму Fе_β. Далее при t = 911 °C Fе_β превращается в ГЦК-кристаллическую модификацию Fе_γ, при t = 1392 °C Fе_γ переходит в ОЦК-кристаллическую форму Fе_δ, кристаллографически аналогичную Fе_α, при t = 1539 °C происходит плавление железа.

С кристаллографической точки зрения у железа существует только две полиморфные модификации - Fе_α и Fе_γ.

Почему вещества существуют в различных кристаллических формах? Для ответа на этот вопрос используем понятие свободной энергии F. Изменение свободной энергии Δ F вещества при переходе из одного состояния в другое определяется как:

Δ F = Δ U – T Δ S,

где Δ U – изменение внутренней энергии вещества, T - абсолютная температура, Δ S - изменение энтропии вещества.

Рис. 1.5. Полиморфные модификации железа

Внутренняя энергия - это суммарная энергия поступательного, вращательного, колебательного движений молекул, атомов, ионов, электронов вещества, а также энергия связи между ними.

Энтропия – мера неупорядоченности системы:

S = k lnW,

где k – постоянная Больцмана, W – вероятность состояния – число микросостояний, посредством которых реализуется данное макросостояние вещества.

C термодинамической точки зрения вещество имеет такую кристаллическую решетку у которой свободная энергия минимальна.

Как видно из рис. 1.6, в интервале 911 – 1392 °C свободная энергия F _γ меньше свободной энергии Fе_α, поэтому железо в этом температурном диапазоне имеет кристаллическую решетку ГЦК, при t < 911 °C и t > 1392 °C свободная энергия Fе_α меньше свободной энергии F _γ и поэтому железо имеет кристаллическую решетку ОЦК.

Рис. 1.6. Зависимость свободной энергии полиморфных модификаций

железа от температуры

Различают следующие виды дефектов кристаллического строения.

1. Точечные (нуль-мерные) дефекты:

а) отсутствие иона или молекулы в узле кристаллической решетки (вакансия) (рис.1.7);

б) замещение иона или молекулы основного вещества в узле кристаллической решетки на ион или молекулу другого вещества (примесные ион или молекула) (рис. 1.7);

в) внедрение основной или примесной структурной частицы в междоузельное пространство (рис.1.7).

2. Линейные (одномерные) дефекты.

К линейным дефектам относится краевая дислокация – край дополнительной кристаллографической плоскости в кристаллической решетке вещества (рис. 1.8). Мерой дефектности кристаллического вещества является плотность дислокаций – суммарная длина всех дислокаций в единице объема вещества:

Рис. 1.7. Точечные дефекты: 1 – вакансия; 2 – внедренные ион или молекула; 3 – замещенные ион или молекула; 4 – основные ион или молекула

[м/м³],

где L_di – длина дислокации, V- объем металла.

Значения плотности дислокаций:

- отожженные металлы – 10⁴ - 10⁵см^-2 (100 - 1000 м/см³);

- металлы после холодной пластической деформации – 10¹¹ - 10¹²см^-2 (10⁶ - 10⁷ км/см³);

- металл при разрушении - более 10¹¹ - 10¹² см^-2.

3. Поверхностные (двумерные) дефекты.

Дефекты возникают на поверхностях раздела зерен поликристаллического материала, где кристаллическая решетка одного зерна сопрягается с кристаллической решеткой другого зерна (см. рис.1.4).

Рис. 1.8. Краевая дислокация

4. Объемные (трехмерные) дефекты.

Имеют сравнительно большие размеры во всех трех измерениях. Это пустоты (поры, трещины), инородные включения, включения иной кристаллической модификации.

Дата добавления: 2017-01-13