С.А. Воробьев

Точечные дефектымалы во всех трех измерениях Их величина не превышает атомного диаметра. К точечным дефектам относят вакансии, замещенные атомы и внедренные атомы. Вакансии - это пустые, не занятые атомами узлы кристаллической решетки. Замещенные атомы – это инородные атомы, находящиеся в узлах решетки вместо основного атома. Внедренные атомы –это атомы, находящиеся в междоузлии кристаллической решетки. Это могут быть чужеродные атомы или атомы основного металла. Точечные дефекты вызывают вокруг себя искажения кристаллической решетки (упругие поля напряжений), которые достаточно быстро затухают по мере удаления от дефекта. Точечные дефекты появляется вследствие теплового колебания атомов. Некоторые атомы, обладающие повышенной энергией, при этих колебаниях перемещаются из одного места в другое, создавая вакансии и внедренные атомы. Точечные дефекты не являются неподвижными, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке. При нагреве амплитуда колебаний атомов возрастает, а, следовательно, растет концентрация точечных дефектов. Наибольшей концентрации они достигают вблизи температуры плавления. Вакансии играют основополагающую роль в диффузионных процессах, которые, как известно, ускоряются при нагреве.

Кристаллическими называют твердые вещества, в которых атомы расположены в пространстве в строго определенном порядке. Все металлы являются кристаллическими веществами. Для описания такой структуры используют понятие кристаллическая решетка. Кристаллическая решетка - это воображаемая трехмерная решетка, в узлах которой расположены атомы. Воображаемая плоскость, проведенная через центры атомов, называется кристаллической плоскостью.

Кристаллическое строение металлов

Металлы – это вещества, обладающие характерным металлическим блеском, высокой электропроводностью, теплопроводностью, высокой пластичностью.

Твердые вещества в зависимости от взаимного расположения атомов делят на аморфные и кристаллические. Аморфными называют твердые вещества, атомы которых располагаются в пространстве хаотично, обладающих, так называемым ближним порядком. К таким веществам относят стекло, смолу клей, а так же новый класс материалов – металлические стекла.

Кристаллическое строение металлов имеетсвои особенности.В металлах на внешней электронной оболочке находятся один или два электрона, слабо связанных с ядром. Они могут покидать свою оболочку и в тоже мгновение находить освободившееся место. Эти постоянно блуждающие электроны назвали электронным газом. В узлах кристаллической решетки остаются положительно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы должны находиться друг от друга на таком расстоянии, чтобы оторвавшиеся электроны успевали попадать на внешнюю оболочку, и атом оставался нейтральным. Между положительными ионами и отрицательным электронным газом возникают силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую связь называют металлической.

Наличием металлической связи можно объяснить характерные свойства металлов.

Металлы обладают большей плотностью по сравнению с неметаллами из-за меньшего расстояния между ионами. Высокая пластичность металлов без разрушения обусловлена тем, что в процессе пластической деформации благодаря свободным электронам не происходит нарушения связи между ионами. Высокая электропроводность металлов связана с тем, что при появлении электродвижущей силы (ЭДС) электроны начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. в цепи возникает электрический ток. Ионы в кристаллической решетке совершают колебательные движения возле некоего центра. Высокая теплопроводность металлов связана с увеличением амплитуды колебания и передачи импульса соседнему иону. Понятно, почему с увеличением температуры электропроводность уменьшается, а с понижением температуры теплопроводность повышается. При температурах, близких к абсолютному нулю может появляться явление сверхпроводимости. Характерный блеск, присущий металлам, связан с взаимодействием световых волн со свободными электронами.

Наличие металлической связи (невозможность ионов находиться на большом расстоянии друг от друга) приводит к тому, что металлы образуют так называемые плотноупакованные решетки. Это объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК), гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ).

В элементарной ячейке ОЦК решетки девять атомов: восемь атомов в вершинах куба и один атом в центре куба на пересечении объемных диагоналей. Такую решетку имеют тугоплавкие металлы: хром, вольфрам, ванадий, а также железо при температуре ниже 911 град С и в интервале температур 1392 – 1539.

В элементарной ячейке ГЦК 14 атомов: восемь в вершинах куба и по одному на пересечении диагоналей каждой грани. Такую решетку имеют все пластичные металлы: алюминий, медь, золото, серебро, платина и железо в интервале температур 911 – 1392 град.

В элементарной ячейке ГПУ решетки, которая представляет шестигранную призму, семнадцать атомов (12 в вершинах призмы, два в центре оснований и три внутри призмы). Такую решетку имеют магний, цинк и др.

Расстояния между центрами атомов в элементарной ячейке называются параметрами или периодами решетки. Параметры решетки очень малы и составляют 0,2-0,7 нм (1нм=10 в минус 9 степени м) или 2 – 7 Ẵ. Кубическая решетка может быть охарактеризована одним параметром – длиной ребра куба а. В ГПУ решетке два параметра: сторона основания шестигранной призмы а и ее высота с, причем с/а = 1,633.

Атомы (ионы) в кристаллической решетке можно рассматривать как жесткие шары, соприкасающиеся поверхностями. Очевидно, что в решетке помимо атомов есть свободное пространство. Объем, который занимают атомы, т.е. плотность кристаллической решетки, характеризуют координационное число и коэффициент компактности. Координационное число (к.ч.) – это число атомов, которое находится на наименьшем и равном расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки это расстояние равно половине диагонали куба d1. Поэтому к.ч. ОЦК решетки равно 8. Для ГЦК решетки это наименьшее расстояние равно половине диагонали грани куба и число таких атомов равно 12, т.е. к.ч.=12. Для ГПУ решетки к.ч. также равно 12. Коэффициент компактности представляет собой отношение объема атомов, входящих в решетку к объему решетки, умноженному на 100%. В ОЦК решетке коэффициент компактности составляет 68%, т.е. в ОЦК решетке атомы занимают 68% объема, в ГЦК и ГПУ решетках 74%.

Полиморфизм металлов. Полиморфизмом называют способность некоторых металлов менять свою кристаллическую решетку при изменении температуры (или давления).

Анизотропия металлов – зависимость механических (а также электрических, магнитных, оптических и др.) свойств от направления, в котором их измеряют. Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов – монокристаллов. Анизотропия связана с различной насыщенностью атомами плоскостей решетки и неодинаковыми межатомными расстояниями. Например, прочность монокристалла меди измеренная в одних направлениях составляет 140 МПа (МПа – мегапаскаль, 1Па=1Н/кв.м), а в других – 330 МПа, т.е. разница свойств весьма существенна.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов – монокристаллов. Металлы и металлические сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого количества кристаллов неправильной формы, имеющих различную ориентацию. Эти неправильные разориентированные кристаллы называются кристаллитами или зернами. В каждомотдельном зерне должна наблюдаться анизотропия, но вследствие различной ориентации решеток в каждом зерне поликристалл имеет одинаковые усредненные свойства, не зависящие от направления их измерения. Эту особенность поликристаллического тела называют псевдо изотропией (т.е. ложной изотропией) или квазиизотропией (как будто изотропия). Квазиизотропия металлов характерна для его литого или равновесного состояния. В результате холодной обработки давлением (прокатки, ковки) зерна приобретают приблизительно одинаковую ориентацию кристаллической решетки. При этом металл становится анизотропным Свойства такого металла вдоль и поперек направления деформации различаются иногда значительно.

Аморфные материалы, в отличие от кристаллических являются изотропными, т.к. имеют одинаковую плотность атомов в различных направлениях.

Дефекты кристаллического строения. Реальный металлический кристаллимеет большое количество дефектов, которые нарушают порядок в кристаллической решетке и оказывают большое влияние на свойства металла. По геометрическим признакам их подразделяют на точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Линейные дефекты - дислокации(от латинского смещение) имеют малые размеры в двух направлениях и большую протяженность в третьем направлении. Дислокации - это дефекты кристаллической решетки, представляющие собой линии, вдоль которых нарушено правильное чередование атомных плоскостей. Дислокации определяют так называемые структурно-чувствительные свойства металлов (прежде всего прочность и пластичность). Различают краевую дислокацию и винтовую дислокацию, возможны смешанные дислокации. Краевая дислокация представляет собой искажение кристаллической решетки, вызванное наличием «лишней» кристаллической полуплоскости (экстраплоскости). Край этой экстраплоскости, перпендикулярный направлению сдвига, является краевой дислокацией. Линия дислокации перпендикулярна плоскости рисунка. (Рассмотрели на лекции) Длина дислокации достигает многих тысяч атомных диаметров, а ширина ее составляет несколько атомных диаметров. Краевая дислокация может загибаться, превращаясь в винтовую. Единицей измерения дислокаций является их плотность. Плотность дислокаций – это суммарная длина дислокаций, приходящаяся на единицу объема. Плотность дислокаций обозначают греческой буквой ρ. Размерность см в кубе

Дислокации образуются уже в процессе кристаллизации. Минимальная плотность дислокаций в равновесном состоянии.Так как атомы в зоне дислокаций смещены относительно их равновесного положения, кристаллическая решетка в этой зоне упруго

Математические модели в экономике

Дата добавления: 2014-01-13