Краевая дислокация - локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием лишней атомной полуплоскости (экстраплоскости). 1-плоскость скольжения; 2-экстраплоскость; 3-ядро дислокации
Если экстраплоскость находится в верхней полуплоскости то она положительна, а если в нижней – отрицательна. Вектор Бюргерса - главная характеристикой дислокации - мера искаженности кристаллической решетки, обусловленной присутствием в ней дислокации. Чтобы его оценить строят контур Бюргерса, представляющий замкнутый контур произвольной формы, условно выделенный в реальном кристалле путем последовательного обхода дефекта от атома к атому в совершенной области кристалла. В краевой дислокации вектор Б. перпендикулярен к ее линии. Вектор Бюргерса определяет энергию дислокации, величину связанного с дислокацией сдвига, позволяет оценить подвижность дислокации.
-энергия краевой дислокации.
G – модуль сдвига; m – коэффициент Пуассона (для металлов »m⅓); ro – радиус ядра дислокации (несколько межатомных расстояний), R – расстояние, на которое распространяется упругая деформация от дислокации.
(Контур и вектор Бюргерса-для определения энергии)
22. Стадии старения и причины образования метастабильных фаз.
Низкотемпературный распад после получения пересыщенного раствора называют старением. Стадии старения: 1) образуются скопления легирующего элемента (В) – кластеры. Когда их размер станет таким, что их можно будет обнаружить в при электронно-микроскопическом и рентгеноструктурном анализе, они называются зонами Гинье-Престона (зоны ГП). Зона ГП1 в Al-Cu диски (4-5 нм) толщиной несколько атомных слоев при сохранении кристалл. решетки исходного α-тв.раствора. 2) зоны ГП1 растут и размещение атомов в них становится упорядоченным (ГП2), близким к кристаллической решетки избыточной фазы. 3) при повышении темп-ры на базе зон ГП образ-ся зародыши β-фазы и происходит их рост. Нередко, вместо β-фазы образуется метастабильная θ-фаза, которая по структуре или по составу явл-ся промежуточной между α и β. Далее θ переходит в β. Причиной образования метастабильных фаз является лучшее сопряжение решеток промежуточной и исходной фаз, требующая меньших флуктуаций концентрации. Образование метастабильной фазы ведет к уменьшению энергии Гиббса, но не обеспечивает ее минимум, не смотря на это образование θ в ряде случаев явл-ся кинетически более выгодно.
23. Принцип функционирования источника Франка-Рида.
Источник дислокаций Ф-Р. -это отрезок дислокации, лежащий в плоскости скольжения (плоскость рисунка) закрепленной на своих концах (закрепление может быть вызвано взаим-ем дислокации с другими дислокациями или с примесями). Под действием напряжения τ прямолинейная дислокация длиной L начинает выгибаться. τмах=bG/L (L=2R). При дальнейшем движении дисл. начинает закручиваться у точек, распрямляться в средней части и ее средний радиус кривизны возрастает, т.е. дл последующее движения дислокации надо меньшее напряжение τмах. Вначале дисл. Была краевой и положительной, но искривление привело к появлению винтовой составляющей разных знаков и появление в нижней части отрицательной краевой составляющей. (стрелками направление движения различных участков криволинейной дислокации). Дислокация образует расширяющуюся петлю, ветви которой в конце концов сойдутся и при соприкосновении аннигилируют, в результате образуя замкнутое дислокационное кольцо, внутри которого есть дислокация как первоначальная. Под действием напряжения кольцо будет расширяться и уходить дальше, а расположенная внутри дислокация повторит весь цикл. Это будет повторяться пока действует напряжение.
24. Схема возникновения дендритной ликвации и ее практическое использование.
Дендритная ликвация – химическая неоднородность сплава в пределах одного зерна (центр-переферия). При охлаждении сплава состава х диффузия не успевает выровнять состав. Твердая фаза имеет состав α2, но этот состав имеют только верхние слои кристалла. Остальная часть сплава не меняет свой состав, поэтому средний состав сплава соответствует α2’, который находится между α1 и α2 . при понижении температуры средний состав тв.фазы все больше отклоняется от равновесного. И закончится α5’. Образование ликвации расширяет интервал затвердевания. Пунктирная линия - неравновесный солидус. Явление ликвации может быть использовано в технике. Никелемедные сплавы с ликвационной неоднородностью имеют не строго определенную точку Кюри, а температурный интервал, внутри которого намагниченность плавно уменьшается до нуля. Это свойство используется в приборостроении. Самым важным практическим применением ликвации является получение чистых Ме и полупроводников путем направленной кристаллизации и зонной плавки (заключается в расплавлении и затвердевании узкой зоны твердого стержня, вдоль которого эта зона перемещается). Дендритную ликвацию можно устранить гомогенизацией - отжиг при высокой температуре.
25. Рост зерна при нагреве металла (при отжиге).
Отжигом чистых металлов называется их нагревание до высокой температуры и последующее медленное охлаждение. Отжиг при достаточно высокой температуре литого чистого металла, состоящего из зёрен, имеющих дендритную структуру, приводит к устранению такой структуры. Это связано с тем, что небольшие количества примесей, распределяются более равномерно в его объёме, а кристаллографическая разориентировка отдельных его частей уменьшается. Если углы между однотипными осями (с одинаковыми индексами) соседних дендритов малы, то дендриты могут объединяться в одно зерно. При температурах выше 0,3-0,4 Тпл, когда протекает диффузия, происходит грануляция (спрямление границ) и рост зёрен. Движущей силой грануляции является уменьшение свободной зернограничной энергии. Спрямление границ влечёт за собой уменьшение их площади, а, следовательно, и поверхностной энергии. Анизотропией поверхностного натяжения в данном случае можно пренебречь, т.е. принимаем, что она не зависит от конфигурации и положения границы. Зернограничная энергия уменьшается не только при грануляции, но и при росте зерна. Под ростом зерна в твёрдом металле подразумевается рост одних зёрен за счёт других, благодаря чему средняя величина зерна увеличивается и, следовательно, уменьшается число зёрен и удельная протяжённость их границ. Процесс роста зёрен часто называют собирательной рекристаллизацией. Собирательная рекристаллизация идёт при отжиге в металле, осаждённом с помощью электролиза, вакуумным распылением и т.п.
26. Что такое линии Чернова–Людерса и причины их возникновения.
Еще в 1860 г. Людерс, а затем независимо от него Чернов обнаружили, что при растяжении образцов железа и стали на их поверхности образуются специфические фигуры. Чернов связал их возникновение с волнами упругих напряжений. Он обнаружил, что предварительно отполированные образцы становятся матовыми, и пришел к заключению, что мягкая литая сталь обладает драгоценным свойством – способностью фиксировать на своей полированной поверхности рисунок волн упругих напряжений, если усилия превосходят предел упругости. Рис. 7.1. Линии деформации, выявленные Д.К. Черновым при резке листа и пробивании отверстия: а - лист, из которого вырезали образцы; е - точками обозначены места, где волны напряжений интерферируют. На рис. 7.1 воспроизводятся оригинальные рисунки из сообщения Чернова. Было обращено внимание на то, что одни линии деформации вогнутые, а другие – выпуклые. Чернов показал, что вогнутые линии связаны с локальными впадинами на поверхности, образующимися в результате действия растягивающих волн напряжений, а выпуклые (локальное выпучивание) – с действием сжимающих напряжений. В современной трактовке перемещение полос Чернова-Людерса по поверхности деформируемого образца рассматривается как автоволновой процесс. В работе [10] была экспериментально изучена эволюция полей деформаций при распространении полосы Чернова–Людерса по поверхности образца из малоуглеродистой стали при его растяжении. Для измерения в каждой точке деформируемого образца модулей векторов смещении e ru и их компонент ux = uy, ориентированных соответственно параллельно и перпендикулярно направлению приложения нагрузки, использовали метод лазерной спекл-интерферометрии. Анализ полей смещения [10] позволил предложить оригинальную модель образования полос Чернова– Людерса. В соответствии с этой моделью полоса формируется в результате распространения аккомодирующих поворотов по образцу в тот момент, когда микросдвиги охватили его полностью. Ротационные процессы существенно изменяют состояние поверхности деформируемого образца, а следовательно и условия рассеяния света на ней. Подтверждением связи распространения полос Чернова–Людерса с волновой природой пластической деформации является совпадение скоростей распространения этих волн и фронта полосы. Последнюю измеряют путем регистрации распространения полосы на видеопленку.
27. Вывести формулу для определения критического размера зародыша при кристаллизации.
Движущей силой роста зерна явл-ся уменьшение граничной св.энергии. она уменьшается на величину ∆F=ϬV(1/r1-1/r2), где в-атомный объём, эр1 и эр2 радиус кривизны соседних зерен. При соприкосновении зерен r1 = -r2 и 1/r1-1/r2=2/r1. Линейная скорость с непрерывного роста зерна при пост-ой темп-ре пропорц-на ∆F. Можно записать с=dr/dτ= kϬV/r, τ-время, к-материальная константа, r средний радиус зерна. Интегрируя получим r2-r02=2 kϬV/r, r0 радиус исходного зерна при τ=0. Если r0<<r, то r=(2kϬVτ)1/2 = A τ1/2
28. Аномальный рост зерна и его практическое использование.
В металле, где нормальный рост зерна при пост. темп-ре практически прекращается, дальнейший нагрев может вызвать рост отдельных зерен. Эти зерна поглощают все окружающие их зерна, неспособные к росту, и в результате образуется очень грубозернистая структура. При продолжении нагрева или увеличении выдержки крупное зерно будет поглощать мелких, пока не столкнется с другим крупным зерном. Такой рост наз-ся аномальным: растут не все, а лишь отдельные зерна. В большинстве металлов с гексагональной решеткой (Mg, Zn, сплавы цинка) текстура деформации и рекристаллизации совпадают, в металлах с ОЦК встречаются оба случая. Текстура вторичной рекристаллизации отличается от текстуры собирательной рекристаллизации. Образование текстуры используют для повышения качества сплавов с особыми физическими свойствами (магнитными, термического расширения, упругими). Все это определяет области применения – там, где требуются сплавы с особыми физическими свойствами, анизотропией (например, трансформаторная сталь, где максимальное значение магнитной проницаемости вдоль оси [100] параллельно направлению магнитного потока).
29. Схема перемещения винтовой дислокации.
Схема перемещения атомов при скольжении винтовой дислокации (светлые кружки показывают новые положения атомов после перемещения дислокации)
Сдвиг на одно межатомное расстояние уже прошел справа от линии дислокации AD. Кружками изображены атомы, находящиеся над плоскостью скольжения, а точками – под ней. Под действием сдвига линия винтовой дислокации AD переместилась в A’D’. При этом в ряду AD ближайшие кружки и точки разошлись на расстояния, к-ые были в ряду 1; в ряду 1 расстояния между кружками и точками увеличились до таких, какие были в ряду 2, и т.д. В ряду 3 кружки и точки совпали и в нем(как и в 4 и правее его) закончился сдвиг на 1 межатомное расстояние. Продвижение дислокации влево через весь кристалл приводит к сдвигу по всей ширине на 1 атомное расстояние вдоль вектора сдвига(на величину в-ра Бюргерса). При этом линия винтовой дислокации движется перпендикулярно вектору сдвига. В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация не может перемещаться с помощью диффузионного механизма. При взаимодействии винтовой дислокации с вакансией образуется другой тип дислокаций – геликоидальный. Для винтовой дислокации вектор сдвига параллелен линии дислокаций, а экстраплоскость совпадает с плоскостью сдвига! Для винтовой дислокации вектор Бюргерса параллелен линии дислокаций и плоскости сдвига! Винтовые дислокации различают по направлению винтового геликоида - по часовой стрелке (правая) и против часовой стрелки (левая)
Три важных обстоятельства: 1. Дислокация перемещается на один период решетки вправо в результате передвижений атомов только внутри области несовершенства. Атомы вне этой области остаются на своих местах. 2. Дислокация перемещается на один период решетки вследствие передвижения атомов внутри ядра дислокации всего лишь на доли периода решетки. 3. В области ядра дислокации атомы смещаются в направлении действующих на них сил, а сама дислокация перемещается перпендикулярно этому направлению. ВД в принципе может скользить в любой кристаллографической плоскости, которая содержит линию дислокации и вектор сдвига. В отличие от краевой винтовая дислокация может переходить из одной атомной плоскости в другую без переноса массы – скольжением. Если на пути движения ВД в плоскости встречается какой-то барьер, то дислокация начинает скользить в другой атомной плоскости, находящейся под углом к первоначальной плоскости скольжения – поперечное скольжение.
30. Нормальный механизм полиморфного превращения.
Полиморфное превращение в металлах состоит в изменении типа кристаллической решетки при изменении температуры или давлении. Полиморфизмом называется способность простых и сложных веществ иметь различную кристаллическую структуру в зависимости от внешних условий – температуры и давления. С ростом температуры происходит увеличение ионных радиусов. При ra>rk повышение температуры приведет к уменьшению отношения ионных радиусов ra/rk.=> Это может привести к изменению кристаллического строения, т.е образуется структура с более низким КЧ. Пример, такой фазовый переход наблюдается в крист. Структуре хлористого цезия(КЧ=8), который при нагреве (445°)переходит в крист. структуру, характерную для хлористого натрия (КЧ=6). Повышение давления также по-разному сказывается на ионных радиусах катионов и анионов – в зависимости от их размеров. При ra>rk повышение давления вызовет рост отношения ионных радиусов => может привести к фазовому переходу от структуры с меньшим КЧ к структуре с большим КЧ. Пример, сульфид кадмия, который при обычных условиях имеет кристаллическую структуру вюрцита (КЧ=4), а при давлении 30 кбар приобретает структуру типа хлористого натрия (КЧ=6). При полиморфных превращениях действует общий для всех превращениях принцип структурного соответствия(принцип Данкова -Конобеевского)- решетка новой фазы стремится так ориентироваться по отношению к решетке исходной фазы, чтобы межфазная энергия была минимальна, а это обеспечивается максимальным сходством в расположении атомов на соприкасающихся гранях новой и старой фаз. Особенности нормального механизма полиморфного превращения: 1. Инкубационный период. Он не вызван точностью детектирования образования новой фазы, тк при мартенситном превращении инкубац периода нет. Значит это особенность нормального механизма. 2. Процесс контролируется диффузией. n-скорость образования зародышей, с-лин скор роста и dV/dt- скорость превращения объема являются экстремальными величиами,т.е. проходят через максимум. Тк на начальном этапе увеличивается общая площадь поверхности новой фазы и величение числа зародышей, а затем уменьшается объем превращенного материала и столкновение зародышей новой фазы. 3. Структурно-размерное соответствие. Тк превращения идут в твердой среде, то необходим минимум упругой энергии. Принцип Данкова-Канобеевского: зародыш новой фазы в твердой кристаллической анизотропной среде должен быть ориентирован так, чтобы он соприкасался со старой фазой(с исходной) кристаллическими плоскостями наиболее близкими по структурным размерам. Например (111)ГЦК || (110)ОЦК. Могут образовываться когерентные границы, полукогерентные (когда есть структурные дислокации) и некогерентные (много дислокаций, расстояния между ними малы,они теряют свою индивидуальность). Термоупругое равновесие может возникнуть если упругая энергия большого зерна компенсирует выигрыш свободной энергии и кристалл перестанет расти. Повышение температуры приводит к уменьшению кристалла, тк при повыш темп энтропия растет и свобод энергия падает. Напряжения, возникающие при образовании первых кристаллов новой фазы определяют ориентировку и порядок появления новых кристаллов при дальнейшем появлении. Роль нагрузки при превращении в том что она задает преимущественное направление для возникающих кристаллов новой фазы, что приводит к большим деформациям.
31. Мартенситный механизм полиморфного перемещения. (Бездиффузионный или мартенситный механизм полиморфного превращения).
При мартенситном механизме образование новой фазы происходит путем закономерного (или упорядоченного) кооперативного перемещения атомов, при котором они сохраняют своих соседей и смещаются относительно друг друга на расстояния, составляющие малую долю межатомных. Особенности мартенситного механизма превращения: 1. Кооперативное перемещение атомов при образовании новой фазы возможно только при наличии когерентной межфазной границы. Поэтому наличие когерентной границы является необходимой особенностью мартенситного механизма. 2. Линейная скорость роста кристаллов новой фазы при данном механизме может быть очень большой и ее пределом является скорость звука в данном металле. 3.При мартенситном механизме полиморфное превращение в данной локальной области имеет большую линейную скорость и начавшись с образования зародыша, быстро заканчивается в данной области. 4.При мартенситном механизме превращения, как правило, отсутствует инкубационный период. Превращение начинается сразу после достижения металлом температуры – начала мартенситного превращения. 5.Для каждой температуры ниже характерно определенное количество новой фазы. Для дальнейшего продолжения процесса необходимо понизить температуру. При этом образуются новые участки превращенной фазы, а не растут старке. 6.Следствием сдвигового характера перемещения атомов при этом механизме является образование специфического рельефа на полированной поверхности шлифа. 7.Реализация сдвигового механизма превращения приводит к резкому увеличению плотности дислокаций в новой фазе, которая может доходить до 1012 1/см2, т.е., такой, какая получается при большой степени холодной деформации.
32. Схема перемещения краевой дислокации.
Краевая дислокация - локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием лишней атомной полуплоскости.
| 1 – плоскость скольжения; 2 – экстраплоскость; 3 – ядро дислокации. |
Есть два типа краевых дислокаций – это положительные и отрицательные: