Инженерная графика
Физика
Атомные станции
Строймех
ТКМ
Начертательная геометрия
Экология энергетики
Сопромат
Готика
Черчение
Теплотехника
Математика

Театр

Конспект лекций
Атомная энергетика
Карта

Энергетические дефекты

К энергетическим дефектам решетки относятся: дырки - дополнительно ионизированные ионы, дислоцированные электроны, пары электрон-дырка или экситоны (возбужденные атомы), фононы-кванты колебаний кристаллической решетки.

При появлении в материале дырок и дислоцированных электронов проводимость диэлектриков и полупроводников возрастает. В металлических материалах существование дырок невозможно, поскольку свободные электроны моментально заполняют их. При поглощении ионом энергии, достаточной для отрыва электрона и образования дырки, но недостаточной для переноса электрона на относительно большое расстояние от дырки, возникает пара электрон-дырка, или экситон. Экситоны электрически нейтральны, поэтому их движение не приводит к переносу заряда, однако перемещение экситонов ведет к переносу энергии. При взаимной аннигиляции дырки и электрона выделяется квант электромагнитной энергии, который, поглощаясь каким-либо ионом, вновь приводит к образованию экситона. Поскольку в состав экситона входит свободный электрон, то при появлении в кристаллической решетке экситонов прозрачность кристалла для электромагнитного излучения падает.

Влияние дефектов строения металлов на их механическую прочность

Точечные дефекты преимущественно влияют на удельную электропроводность материалов, и в частности металлов, то линейные дефекты (плотность дислокаций) на механические свойства.

На механические свойства металлов влияют также поверхностные дефекты. На границах зерен металлов скапливаются легкоплавкие неметаллические примеси (например, сульфиды и фосфиды (FeS, Fe3P), окислы, мелкие поры и т. д.), которые резко ухудшают механические свойства. Тугоплавкие включения (например, MnS (Тт = 1620°С), А1203 (Тш = 2050°С)), наоборот, входят внутрь зерна; они являются центрами кристаллизации, и при этом образуется мелкозернистая структура, что приводит к существенному улучшению механических свойств.

Наличие в реальных кристаллах большого количества дислокаций и вакансий приводит к значительному снижению механической прочности. Самую высокую прочность имеет Fe, содержащее либо минимальную, либо максимальную концентрацию дефектов. Следовательно, прочность кристаллических тел с увеличением концентрации дефектов (плотности дислокаций) до какого-то предела снижается, а далее возрастает (рисунок 4.8). Это явление объясняет дислокационная теория пластической деформации. Рассмотрим ее кратко.

Важнейшее свойство дислокаций — их легкая подвижность и активное взаимодействие между собой и другими дефектами решетки. Это взаимодействие затрудняет движение дислокаций в кристалле и тем самым упрочняет его. С увеличением пластической деформации кристалла плотность дислокаций возрастает в тысячи, иногда — в миллионы раз (в недеформированных металлических кристаллах че­рез площадку в 1 см2 проходит 106—108 дислокаций). При этом возрастает также концентрация других дефектов, которые затрудняют перемещение дислокаций, и для своего преодоления требуют более высокое напряжение. В результате металл упрочняется. Особенно сильное тормозящее действие движению дислокаций оказывают границы зерен и блоков в них. Таким образом, дефекты кристаллической решетки металла являются тем препятствием, которое затрудняет движение дислокаций и приводит к упрочнению металла. Поэтому, чтобы повысить прочность металлов, необходимо либо уменьшить концентрацию дефектов в них, получая бездефектные кристаллы, например нитевидные кристаллы («усы»), либо создавать поликристаллические однородные тела с повышенной плотностью дислокаций, подвижность которых ограничивают легированием, закалкой или наклепом металла. При этом плотность дислокаций не должна превышать 1012—1013 см 2, так как при большей дислокаций металл становится хрупким. На практике обычно следуют по второму пути.

Рисунок 4.8 - Зависимость прочности металлов от концентрации

 дефектов (плотности дислокаций)

Легирование — это введение в металл небольших количеств специальных примесей, которые приводят к значительным его структурным изменениям. Легирующие добавки сильно взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их движение, упрочняя тем самым металл.

Закалка — это термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, выдерживании при этой температуре и контролируемом ускоренном охлаждении. В результате этих операций в металле увеличивается концентрация дефектов, в том числе плотность дислокаций, а также образуется мелкозернистая структура, поэтому протяженность границы между зернами резко возрастает (увеличивается суммарная удельная поверхность зерен). Сама же граница труднопроходима для дислокаций, что приводит к затруднению их движения и упрочнению металла.

Наклеп — это обработка металлической заготовки путем прокатки, ковки или волочения. В результате пластической деформации металла увеличивается плотность дислокаций (и концентрация других дефектов), а главное — дислокации при этой обработке переплетаются, что приводит к затруднению их движения и упрочнению металла. На этом принципе было основано производство дамасской стали.

Указанные технологические операции (легирование, закалка, наклеп) создают оптимальную концентрацию дислокаций. Известно, что наибольшее упрочнение металлов достигается при плотности дислокаций порядка 1012—1013 на площадь в 1 см-2 (у совершенных кристаллов Si и Ge — 102—103 на 1 см-2, а у недеформированных ме­таллических кристаллов 106—108 на 1 см~2).

Дислокации, перемещаясь в процессе пластической деформации, взаимодействуют друг с другом и с другими дефектами кристаллического строения. Дислокации, расположенные в одной плоскости скольжения, будут взаимно отталкиваться, если они одного знака, или взаимно притягиваться, если они разных знаков. В процессе пластической деформации дислокации взаимодействуют с любыми искажениями кристаллической решетки, которые встречаются на пути их перемещения. Эти искажения, являющиеся препятствиями на пути движения дислокаций, могут вызываться дислокациями в пересекающихся плоскостях скольжения, точечными дефектами, примесными атомами и высокодисперсными включениями других твердых фаз. В процессе пластической деформации происходит повышение прочностных свойств, которое называют деформационным упрочнением или наклепом. Степень этого упрочнения зависит от числа препятствий и энергии, необходимой для их преодоления. Возможен еще один механизм деформационного упрочнения – скопление дислокаций у границ зерен из – за непроницаемости границ.

Таким образом, прочностные свойства кристаллов зависят от числа дефектов их строения, в частности от плотности дислокаций.


Детский психолог Новосибирск, Бердск;marvis Электротехнические материалы