Структуры металлов. Дефекты кристаллической решётки.
Содержание.
Основные понятия и определения.
*
Классификация структур металлов.
*
Объёмоцентрированная кубическая структура. *
Гранецентрированная кубическая структура *
Гексаганально плотно упакованная структура. *
Закон поглощения или ослабления рентгеновских лучей *
Дефекты. *
Точечные дефекты. *
Линейные дефекты. *
Поверхностные дефекты. *
Общее свойство материала симметрия характеризуется некоторой точкой m многогранника, которая в свою очередь характеризуется тем, что при пересечении многогранника отсекает одинаковые части - точкой симметрии, плоскостью, которая пересекает многогранник и разделяет на две равные зеркальные части- плоскостью симметрии и осью, которая проходит через центр тяжести и при повороте кристалл совмещается сам с собой. Порядок оси симметрии определяется соотношением n=360/α. В кристаллах встречаются лишь оси симметрии 1,2,3,4 и 6 порядка, отсутствуют 5 и 7.
Октоэдрическими пустотами называют пустоты в центре куба и посередине рёбер, окруженные шестью атомами, их размер равен r 0 =0,41R. Вторые по размеру тетраэдрические пустоты имеют радус r Т =0,225R.
Направление – [ ]; Эквивалентные направления - < >; Совокупность плоскостей - { }; Плоскость – ( ).
Классификация структур металлов.
Объёмоцентрированная кубическая структура.
Объёмоцентрированная кубическая структура (ОЦК) присуща щелочным: литий, натрий, калий, рубидий, цезий, и следующим переходным металлам: бром, ванадий, железо, а также цирконий некоторых t интервалов.
Каждый атом металла этой группы имеет восемь ближайших соседей на расстоянии (2а)/2. Плотноупакованная направление – (111), плотноупакованной плоскости нет. Коэффициент компактности равен η=68% - каждая ячейка занята на 68%. В объёмоцентрированной кубической структуре количество пустот равно четырём. Такая структура имеет тетраэдрические пустоты r Т =0,291R. В объёмоцентрированной кубической структуре больше пустот и большего размера, чем в гранецентрированной кубической.
Гранецентрированная кубическая структура
Благородные, такие, как медь, серебро, золото, многовалентные: алюминий и свинец и некоторые переходные: никель, продий, палладий, иридий, платина металлы обладают гранецентрированной кубической структурой (ГЦК).
Каждый атом таких металлов имеет двенадцать ближайших соседей, расположенных на расстоянии а/2. На долю пространства заполнения шарами приходится η=74% пространства образца. В случае равновеликих шаров коэффициент 0,74 – соответствует наиболее плотной упаковке. Плотноупакованная направление в гранецентрированной кубической структуре – (101), а плотноупакованная плоскость – (111).
В гранецентрированной кубической структуре располагаются по две тетраэдрические пустоты на каждой диагонали. На элементарную ячейку приходится восемь таких пустот.
Гексаганально плотно упакованная структура.
Такие переходные металлы, как скандий, титан и цирконий, а также двухвалентные: магний, цинк и кадмий металлы имеют гексаганально плотно упакованную структуру (ГПУ).
Их координационное число также равняется двенадцати (с/а= 8/3), а коэффициент компактности составляет η=74%.
Гексаганально плотно упакованная структура – имеет октоэдрические и тетраэдрические пустоты (r Т =0,225R , r 0 =0,154R).
Закон поглощения или ослабления рентгеновских лучей
Закон поглощения или ослабления рентгеновских лучей:
в дифференциальной форме:
.
в интегральной форме:
. ( μ – κ оэффициент пропорциональности).
Коэффициент пропорциональности ослабления либо поглощения лучей выглядит следующим образом:
Различают точечные, линейные, поверхностные и объёмные деффекты.
Точечные, так называемые нульмерные дефекты малы во всех трёх измерениях. Ими называют вакансии, межузельные атомы. Место с которого атом сместился из узла решетки называеься вакансией. Если в кристалле N атомов и n вакансий то равновесная концентрация вакансий равна. Вакансии - основные дефекты в металлических материалах, так как энергия образования междоузельного дефекта меньше энергии вакансии.
Образование точечных дефектов происходит по двум механизмам.
1.Механизм Френкеля – вакансии и межузельный атом одновременно образовываются при перемещении атома из его нормального положения в узле решётки, например, при облучении ядерными частицами.
2.Механизм Шоттки – атом приобретает избыток энергии от соседних атомов, вследствие чего выходит на поверхность и занимает узлы нового слоя. Через время на место атома поверхностного слоя переходит атом из глубокого слоя, и вакансия перемещается в глубь кристалла.
Линейные или одномерные дефекты малы в двух измерениях, а в третьем велики - на длину зерна. Линейными дефектами называют дислокации, цепочки вакансий и межузельные атомы.
Сдвиг на одно межатомное расстояние одной части кристалла относительно другой вдоль какой либо плоскости называют краевой дислокацией. Сдвиг создавший краевую дислокацию имеет направление - вектор сдвига.
Лишний атомный слой, вблизи которого внутри кристалла решётка сильно искажена, называется экстраплоскостью. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокация называется положительной (┴), а если наоборот - отрицательной (┬).Характеристикой дислокации, по которой определяют энергию дислокации и меру искажённости кристаллической решётки дислокацией, является вектор Бёркинса. Перемещение дислокации по плоскости скольжения под действием касательных напряжений (в ГЦК – {111}, в ГПУ {001} ) называют дислокационным скольжением. Винтовой дислокацией называют атомную плоскость, закрученную вокруг линии в виде геликоида. Для винтовой дислокации ось (линия) дислокации параллельна вектору Бёркинса, а направление перпендикулярно.
Суммарную линию дислокаций в единице объёма называют дислокационной плотностью: .
Поверхностные или двумерные дефекты малы только в одном измерении, имеют границы блоков (частей зерна с идеальной кристаллической решёткой) и зёрен. Точечные, линейные и поверхностные дефекты в одном направлении измеряется атомными диаметрами - микроскопические, в отличие от объемных, которые являются макроскопическими. Объёмными дефектами, или трёхмерными называют поры и трещины.
Поверхностные дефекты представляют собой границы зёрен и субзёрен (разоерентированных зон - ориентированных на разные углы зерен) - поверхность, по обе стороны от которой, кристаллические решётки различаются пространственной ориентацией. Различают следующие типы границ зёрен: граница наклона (ось вращения лежит в плоскости границы зёрен) и границы кручения (ось вращения перпендикулярна этой плоскости). Границы с разориентацией соседних зёрен менее 10° - малоугловые, а с большей разориентацией – высокоугловые.