Какое влияние на свойства металлов и сплавов оказывают дефекты

Ðàçìåùåíî íà https://www.allbest.ru/

Ìèíèñòåðñòâî îáðàçîâàíèÿ è íàóêè Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè

Ôåäåðàëüíîå ãîñóäàðñòâåííîå áþäæåòíîå îáðàçîâàòåëüíîå ó÷ðåæäåíèå âûñøåãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ

«Ðîññèéñêèé õèìèêî-òåõíîëîãè÷åñêèé óíèâåðñèòåò èìåíè Ä.È. Ìåíäåëååâà»

Êàôåäðà Èííîâàöèîííûõ ìàòåðèàëîâ è çàùèòû îò êîððîçèè

Ðåôåðàò

Ñòðîåíèå ðåàëüíûõ êðèñòàëëîâ. Äåôåêòû è èõ âëèÿíèå íà ñâîéñòâà ìåòàëëîâ è ñïëàâîâ

Âûïîëíèëà:

Ìèðîíþê Â.Á.

Ñòóäåíòêà ãðóïïû Î-36

Ïðîâåðèëà:

àññ. Àâåðèíà Þ.Ì.

Ìîñêâà 2015

Ñîäåðæàíèå

êðèñòàëë àòîìíûé èîííûé ñïëàâ

Ãëàâà 1. Êðèñòàëëè÷åñêîå ñîñòîÿíèå âåùåñòâà

1.1 Ïîíÿòèå êðèñòàëëè÷íîñòè. Ïðè÷èíû, óñëîâèÿ, ìåõàíèçì îáðàçîâàíèÿ êðèñòàëëîâ

1.2 Ñòðîåíèå èäåàëüíûõ êðèñòàëëîâ

1.3 Ðåàëüíûå êðèñòàëëû. Äåôåêòû êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè

Ãëàâà 2. Êðèñòàëëè÷åñêîå ñòðîåíèå ìåòàëëîâ è ñïëàâîâ

2.1 Õàðàêòåðíûå òèïû êðèñòàëëè÷åñêèõ ðåøåòîê ìåòàëëîâ

2.2 Âëèÿíèå äåôåêòîâ íà ñâîéñòâà ìåòàëëîâ

2.3 Ñòðîåíèå è ñâîéñòâà ñïëàâîâ

Çàêëþ÷åíèå

Èñòî÷íèêè

Ïðèëîæåíèå

Ãëàâà 1. Êðèñòàëëè÷åñêîå ñîñòîÿíèå âåùåñòâà

1.1 Ïîíÿòèå êðèñòàëëè÷íîñòè. Ïðè÷èíû, óñëîâèÿ, ìåõàíèçì îáðàçîâàíèÿ êðèñòàëëîâ

Ìàòåðèàëüíûå ÷àñòèöû, èç êîòîðûõ ñîñòîÿò ãàçîîáðàçíûå èëè æèäêèå (ðàñïëàâëåííûå) âåùåñòâà, îáëàäàÿ âûñîêîé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé, íàõîäÿòñÿ â íåïðåðûâíîì äâèæåíèè. Ïåðèîäè÷åñêè îíè ñòàëêèâàþòñÿ, îáðàçóÿ çàðîäûøè — ìèêðîñêîïè÷åñêèå ôðàãìåíòû áóäóùåé ñòðóêòóðû. ×àùå âñåãî òàêèå çàðîäûøè ðàñïàäàþòñÿ, ÷òî ñâÿçàíî ëèáî ñ ñîáñòâåííûìè êîëåáàíèÿìè, ëèáî ñ áîìáàðäèðîâêîé èõ ñâîáîäíûìè ÷àñòèöàìè.

Äëÿ íà÷àëà ïðîöåññà êðèñòàëëèçàöèè íåîáõîäèìî, ÷òîáû çàðîäûø äîñòèã êðèòè÷åñêîé âåëè÷èíû, ò.å. ñîäåðæàë òàêîå êîëè÷åñòâî ÷àñòèö, ïðè êîòîðîì ïðèñîåäèíåíèå ñëåäóþùåé ÷àñòèöû ñäåëàëî áû ðàçðàñòàíèå çàðîäûøà ýíåðãåòè÷åñêè áîëåå âûãîäíûì, ÷åì åãî ðàñïàä. Ýòî îñóùåñòâèìî äëÿ áîëüøèíñòâà âåùåñòâ ëèáî ñ ïîíèæåíèåì òåìïåðàòóðû, â ðåçóëüòàòå ÷åãî óìåíüøàþòñÿ òåïëîâûå êîëåáàíèÿ, ëèáî ñ ïîâûøåíèåì êîíöåíòðàöèè âåùåñòâà â ðàñòâîðå èëè ãàçå, ÷òî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ âåðîÿòíîñòè âñòðå÷è ÷àñòèö äðóã ñ äðóãîì, ò.å. ê âîçíèêíîâåíèþ çàðîäûøåé.

Ðîñò êðèñòàëëîâ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ïðîöåññ äîñòèæåíèÿ ìèêðîñêîïè÷åñêèìè ÷àñòèöàìè ìàêðîñêîïè÷åñêèõ ðàçìåðîâ. Ïðè ýòîì êðèñòàëëèçàöèÿ âîçíèêàåò íå âî âñåì îáúåìå, à òîëüêî òàì, ãäå ïîÿâëÿþòñÿ çàðîäûøè. Ôàêòîðàìè, âëèÿþùèìè íà ïîÿâëåíèå çàðîäûøåé, ÿâëÿþòñÿ ïåðåîõëàæäåíèå, ïîâûøåíèå êîíöåíòðàöèè ðàñòâîðà, âÿçêîñòè ðàñïëàâà, ïðèñóòñòâèå ïîñòîðîííèõ îáëîìêîâ êðèñòàëëîâ èëè ïûëèíîê (íà ïîâåðõíîñòè ïîñëåäíèõ ñîðáèðóþòñÿ ÷àñòèöû, îáëåã÷àÿ ýòèì íà÷àëî êðèñòàëëèçàöèþ).

Ïðè÷èíà êðèñòàëëèçàöèè çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ïðè äàííûõ P-, T-óñëîâèÿõ ýíåðãåòè÷åñêè íàèáîëåå âûãîäíî òàêîå ñîñòîÿíèå âåùåñòâà, ïðè êîòîðîì ñèëû ìåæìîëåêóëÿðíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ óðàâíîâåøåíû, ÷òî äîñòèãàåòñÿ ëèøü â ñëó÷àå óïîðÿäî÷åííîãî ðàñïîëîæåíèÿ ÷àñòèö. Ïðîöåññ êðèñòàëëèçàöèè îêàçûâàåòñÿ ýíåðãåòè÷åñêè âûãîäíûì äëÿ ñèñòåìû. Íà êîíå÷íóþ ôîðìó êðèñòàëëà ñèëüíî âëèÿþò èçìåíÿþùèåñÿ óñëîâèÿ êðèñòàëëèçàöèè: äàâëåíèå, òåìïåðàòóðà, ñèëà òÿæåñòè, õèìè÷åñêèé ñîñòàâ è äèíàìèêà ñðåäû è ò.ä.

Íà äàííûé ìîìåíò èññëåäîâàí ðÿä ìåõàíèçìîâ ðîñòà êðèñòàëëîâ. Îäíîé èç íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ è ïîäòâåðæäåííûõ ýêñïåðèìåíòàëüíî ÿâëÿåòñÿ òåîðèÿ íåñîâåðøåííîãî ðîñòà Ô. Ôðàíêà (1884-1866 ãã.).

Ãðàíè ðåàëüíûõ êðèñòàëëîâ ïðàêòè÷åñêè íèêîãäà íå áûâàþò èäåàëüíû. Íà èõ ïîâåðõíîñòè âñåãäà ïðèñóòñòâóþò äåôåêòû, áëàãîäàðÿ êîòîðûì âîçíèêàþò âèíòîâûå è êðàåâûå äèñëîêàöèè (ñì. Ðèñ. 1), ãåíåðèðóþùèå íà ñâîåé ïîâåðõíîñòè íå èñ÷åçàþùåþ â ïðîöåññå ðîñòà ñòóïåíüêó. Íàðàñòàíèå ãðàíè ïðîèñõîäèò ïî ñïèðàëè ïóòåì íàâèâàíèÿ îäíîãî ñëîÿ íà äðóãîé. Äèñëîêàöèè, â ñâîþ î÷åðåäü, ÿâëÿþòñÿ ïîñòîÿííûì èñòî÷íèêîì âîçíèêíîâåíèÿ ñëîåâ.

Ðèñ. 1. Ñõåìà ñïèðàëüíîãî ðîñòà êðèñòàëëà

Òåì íå ìåíåå, äàííàÿ òåîðèÿ ÿâëÿåòñÿ íå ïðèìåíèìîé äëÿ ñèëüíî ïåðåñûùåííûõ ðàñòâîðîâ è ðàñïëàâîâ, ãäå ñòàíîâÿòñÿ âîçìîæíûìè äðóãèå ìåõàíèçìû ðîñòà.

1.2 Ñòðîåíèå èäåàëüíûõ êðèñòàëëîâ

Êàæäîå âåùåñòâî îáû÷íî îáðàçóåò êðèñòàëëû ñîâåðøåííî îïðåäåëåííîé ôîðìû. Íàïðèìåð, õëîðèä íàòðèÿ êðèñòàëëèçóåòñÿ â ôîðìå êóáîâ, êâàñöû — â ôîðìå îêòàýäðîâ, íèòðàò íàòðèÿ — â ôîðìå ïðèçì è ò. ä. Ìàêðîêðèñòàëëè÷åñêàÿ ôîðìà — îäíî èç õàðàêòåðíûõ ñâîéñòâ âåùåñòâà. Êëàññèôèêàöèÿ êðèñòàëëè÷åñêèõ ôîðì îñíîâàíà íà ñèììåòðèè êðèñòàëëîâ.

Âñå ðàçíîîáðàçèå êðèñòàëëè÷åñêèõ ôîðì ìîæåò áûòü ñâåäåíî ê ñåìè ãðóïïàì, èëè êðèñòàëëè÷åñêèì ñèñòåìàì, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà êëàññû.

Ïðèðîäíûå êðèñòàëëû, à òàêæå êðèñòàëëû, ïîëó÷àåìûå èñêóññòâåííûì ïóòåì, ðåäêî â òî÷íîñòè ñîîòâåòñòâóþò òåîðåòè÷åñêèì ôîðìàì. Îáû÷íî ïðè çàòâåðäåâàíèè ðàñïëàâëåííîãî âåùåñòâà êðèñòàëëû ñðàñòàþòñÿ âìåñòå. Ïîòîìó ôîðìà êàæäîãî èç íèõ îêàçûâàåòñÿ íå âïîëíå ïðàâèëüíîé. Ïðè áûñòðîì âûäåëåíèè âåùåñòâà èç ðàñòâîðà òîæå ïîëó÷àþòñÿ êðèñòàëëû, ôîðìà êîòîðûõ èñêàæåíà âñëåäñòâèå íåðàâíîìåðíîãî ðîñòà â óñëîâèÿõ êðèñòàëëèçàöèè. Îäíàêî êàê áû íåðàâíîìåðíî íè ïðîèñõîäèëî ðàçâèòèå êðèñòàëëà, êàê áû íè áûëà èñêàæåíà åãî ôîðìà, óãëû, ïîä êîòîðûìè ñõîäÿòñÿ ãðàíè êðèñòàëëà äàííîãî âåùåñòâà, îñòàþòñÿ îäíèìè è òåìè æå. Ýòî ñîñòàâëÿåò çàêîí ïîñòîÿíñòâà ãðàííûõ óãëîâ — îäèí èç îñíîâíûõ çàêîíîâ êðèñòàëëîãðàôèè. Ïî âåëè÷èíå äâóãðàííûõ óãëîâ â êðèñòàëëå ìîæíî óñòàíîâèòü, ê êàêîé êðèñòàëëè÷åñêîé ñèñòåìå è ê êàêîìó êëàññó îòíîñèòñÿ äàííûé êðèñòàëë.

Èññëåäîâàòü âíóòðåííþþ ñòðóêòóðó êðèñòàëëîâ óäàëîñü òîëüêî â XX âåêå, ïîñëå òîãî, êàê â 1912 ã. áûëà îòêðûòà äèôðàêöèÿ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé, íà êîòîðîé îñíîâàí ðåíòãåíîñòðóêòóðíûé àíàëèç.  çàâèñèìîñòè îò ïðèðîäû ÷àñòèö, íàõîäÿùèõñÿ â óçëàõ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè, è îò òîãî, êàêèå ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó íèìè ïðåîáëàäàþò â äàííîì êðèñòàëëå, ðàçëè÷àþò ìîëåêóëÿðíûå, àòîìíûå, èîííûå è ìåòàëëè÷åñêèå ðåøåòêè. Ñóùåñòâóþò âåùåñòâà, â êðèñòàëëàõ êîòîðûõ çíà÷èòåëüíóþ ðîëü èãðàþò äâà ðîäà âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó ÷àñòèöàìè. Òàê, â ãðàôèòå àòîìû óãëåðîäà ñâÿçàíû äðóã ñ äðóãîì â îäíèõ íàïðàâëåíèÿõ êîâàëåíòíîé ñâÿçüþ, à â äðóãèõ — ìåòàëëè÷åñêîé. Ïîýòîìó ðåøåòêó ãðàôèòà ìîæíî ðàññìàòðèâàòü è êàê àòîìíóþ, è êàê ìåòàëëè÷åñêóþ. Âî ìíîãèõ íåîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèÿõ, íàïðèìåð, â ÂåÎ, ÑuÑl, ñâÿçü ìåæäó ÷àñòèöàìè, íàõîäÿùèìèñÿ â óçëàõ ðåøåòêè, ÿâëÿåòñÿ ÷àñòè÷íî èîííîé è ÷àñòè÷íî êîâàëåíòíîé; ðåøåòêè ïîäîáíûõ ñîåäèíåíèé ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ïðîìåæóòî÷íûå ìåæäó èîííûìè è àòîìíûìè. Ðåøåòêè ðàçëè÷íûõ âåùåñòâ ðàçëè÷àþòñÿ ìåæäó ñîáîé íå òîëüêî ïî ïðèðîäå îáðàçóþùèõ èõ ÷àñòèö, íî è ïî âçàèìíîìó ðàñïîëîæåíèþ ÷àñòèö â ïðîñòðàíñòâå — ïî ñâîåìó ñòðîåíèþ.

Ýòî ðàñïîëîæåíèå ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè — ïðîñòðàíñòâåííîãî êàðêàñà, îáðàçîâàííîãî ïåðåñåêàþùèìèñÿ ïðÿìûìè ëèíèÿìè.  òî÷êàõ ïåðåñå÷åíèÿ ëèíèé — óçëàõ ðåøåòêè ëåæàò öåíòðû òåõ èëè èíûåõ ÷àñòèö.

Êðèñòàëëè÷åñêàÿ ðåøåòêà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âîîáðàæàåìóþ ïðîñòðàí-ñòâåííóþ ñåòêó, â óçëàõ êîòîðîé ðàñïîëàãàþòñÿ àòîìû (èîíû), îáðàçóþùèå òâåðäîå êðèñòàëëè÷åñêîå òåëî (ñì. ðèñ. 2).

Ðèñ. 2 Ñõåìà êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè: ÎX, ÎY, ÎZ — êîîðäèíàòíûå îñè; a, b, c, á, â, ã — ëèíåéíûå è óãëîâûå õàðàêòåðèñòèêè ðåøåòêè

Æèðíûìè ëèíèÿìè íà ðèñóíêå âûäåëåí íàèìåíüøèé ïàðàëëåëåïèïåä, ïîñëåäîâàòåëüíûì ïåðåìåùåíèåì êîòîðîãî â ïðîñòðàíñòâå âäîëü òðåõ îñåé ìîæåò áûòü ïîñòðîåíà âñÿ ðåøåòêà èëè êðèñòàëë. Ñèëû ïðèòÿæåíèÿ è îòòàëêèâàíèÿ îáåñïå÷èâàþò ñâÿçü ìåæäó ñîñåäíèìè (áëèæíèé ïîðÿäîê) èëè óäàëåííûìè (äàëüíèé ïîðÿäîê) àòîìàìè. Íàèìåíüøèé ïàðàëëåëåïèïåä (êðèñòàëë), äàþùèé ïðåäñòàâëåíèå îá àòîìíîé ñòðóêòóðå è ñâîéñòâàõ ìåòàëëà âî âñåì îáúåìå, íàçûâàåòñÿ ýëåìåíòàðíîé ÿ÷åéêîé. Äëÿ îïèñàíèÿ ýëåìåíòàðíîé ÿ÷åéêè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè èñïîëüçóþò òðè îòðåçêà — ðåáðà (à, â, ñ), ðàâíûå ðàññòîÿíèÿì äî áëèæàéøèõ ñîñåäåé ïî îñÿì êîîðäèíàò, è òðè óãëà (á, â, ã) ìåæäó ýòèìè îòðåçêàìè.

Âñåãî ñóùåñòâóåò 14 òèïîâ ýëåìåíòàðíûõ ÿ÷ååê, êîòîðûå íàçûâàþòñÿ ðåøåòêàìè Áðàâå, ïî èìåíè ôðàíöóçñêîãî ó÷åíîãî, ïîêàçàâøåãî, ÷òî ëþáóþ äðóãóþ ÿ÷åéêó ìîæíî ïðåîáðàçîâàòü â îäíó èç ýòèõ ÷åòûðíàäöàòè. Ýòè ðåøåòêè îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà êðèñòàëëîãðàôè÷åñêîé ñèììåòðèåé è òèïîì öåíòðîâêè, ò. å. ðàñïîëîæåíèåì äîïîëíèòåëüíûõ àòîìîâ òîãî æå òèïà, ÷òî è â âåðøèíàõ ýëåìåíòàðíîé ÿ÷åéêè. Âñå òèïû ðåøåòîê Áðàâå ïðåäñòàâëåíû â Ïðèëîæåíèè.

 ïîñëåäóþùèõ ðàçäåëàõ áóäóò áîëåå ïîäðîáíî ðàññìîòðåíû ýëåìåíòàðíûå ÿ÷åéêè, õàðàêòåðíûå äëÿ ìåòàëëîâ è ñïëàâîâ.

1.3 Ðåàëüíûå êðèñòàëëû. Äåôåêòû êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè

Íàðóøåíèÿ ïðàâèëüíîñòè â ðàñïîëîæåíèè ÷àñòèö, ñëàãàþùèõ ñòðóêòóðû ðåàëüíûõ êðèñòàëëîâ, ò.å. îòêëîíåíèÿ îò èõ èäåàëüíîé ñòðóêòóðû, ïîðîæäàþò äåôåêòû. Äëÿ èññëåäîâàòåëÿ äåôåêò — ýòî èñòî÷íèê èíôîðìàöèè î ñîáûòèÿõ, ïðîèñøåäøèõ ñ äàííûì êðèñòàëëîì. Êîëè÷åñòâî æå è ðàçíîîáðàçèå äåôåêòîâ çàâèñÿò îò óñëîâèé ðîñòà, ðàçâèòèÿ è îñîáåííîñòåé ñòðóêòóðû ñàìîãî êðèñòàëëà.

Èíòåðåñ ê èçó÷åíèþ äåôåêòîâ, èõ ïðèðîäû è ñâîéñòâ îáúÿñíÿåòñÿ, ñ îäíîé ñòîðîíû òåì, ÷òî äàæå ñâîèì ñóùåñòâîâàíèåì êðèñòàëëû îáÿçàíû, íàðóøåíèÿì ñâîåé ñòðóêòóðû, à ñ äðóãîé — âñå áîëåå âîçðàñòàþùèìè òðåáîâàíèÿìè ê ÷èñòîòå è ñîâåðøåíñòâó êðèñòàëëîâ, èñïîëüçóåìûõ â íàóêå, òåõíèêå è ïðîìûøëåííîñòè, ïîñêîëüêó ìíîãèå èõ ñâîéñòâà çàâèñÿò îò òåõ èëè èíûõ äåôåêòîâ (èëè îò èõ îòñóòñòâèÿ).

Êëàññèôèêàöèÿ äåôåêòîâ îñíîâàíà íà ãåîìåòðè÷åñêèõ ïðèçíàêàõ. Âûäåëÿþò ÷åòûðå òèïà äåôåêòîâ: òî÷å÷íûå — íóëüìåðíûå, ëèíåéíûå — îäíîìåðíûå, ïîâåðõíîñòíûå — äâóõìåðíûå è îáúåìíûå — òðåõìåðíûå äåôåêòû.

Ðèñ. 3. Òèïû äåôåêòîâ êðèñòàëëè÷åñêèõ ñòðóêòóð: òî÷å÷íûå äåôåêòû — âàêàíñèÿ (À); âíåäðåíèå àòîìà â ìåæóçëèå (Á); ëèíåéíûå äåôåêòû — êðàåâàÿ äèñëîêàöèÿ (Â); âèíòîâàÿ äèñëîêàöèÿ (Ã)

Òî÷å÷íûå (íóëüìåðíûå) äåôåêòû — ýòî íàðóøåíèÿ ñòðóêòóðû â îòäåëüíûõ òî÷êàõ êðèñòàëëè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà, ìàëûå âî âñåõ òðåõ èçìåðåíèÿõ, ëîêàëèçîâàííûå â îáëàñòÿõ êðèñòàëëà âåëè÷èíîé îò îäíîãî äî íåñêîëüêèõ àòîìíûõ îáúåìîâ. Ýòî íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûé òèï äåôåêòîâ, ñâÿçàííûõ ñ íàðóøåíèåì ïåðèîäè÷íîñòè â ñòðóêòóðàõ êðèñòàëëîâ. Òî÷å÷íûå äåôåêòû ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà âàêàíñèè (À) — ïóñòûå, íåçàíÿòûå àòîìàìè ïîçèöèè ñòðóêòóðû è àòîìû âíåäðåíèÿ (Á), ðàñïîëîæåííûå â ìåæäîóçëèÿõ (ñì. ðèñ. 3).

Òî÷å÷íûå äåôåêòû, ñâîéñòâåííûå â òîé èëè èíîé ìåðå âñåì ïðèðîäíûì êðèñòàëëàì áåç èñêëþ÷åíèÿ, âîçíèêàþò ãëàâíûì îáðàçîì â ïðîöåññå ðîñòà êðèñòàëëîâ, ïðè èõ äåôîðìàöèè èëè îáëó÷åíèè è, êàê ïðàâèëî, ðàñïðåäåëåíû ïî âñåìó èõ îáúåìó íå ðàâíîìåðíî.

 êðèñòàëëàõ äàííîãî âåùåñòâà ïðè êàæäîé òåìïåðàòóðå ñóùåñòâóåò íåêàÿ ðàâíîâåñíàÿ êîíöåíòðàöèÿ òî÷å÷íûõ äåôåêòîâ, òåì áîëüøàÿ, ÷åì âûøå òåìïåðàòóðà. Âûÿâëÿþò òî÷å÷íûå äåôåêòû ðàçëè÷íûìè ñòðóêòóðíî-÷óâñòâèòåëüíûìè ìåòîäàìè: ñïåêòðàëüíûìè, ìàãíèòíûìè, ÿäåðíûìè è ò.ä.

Òî÷å÷íûå äåôåêòû âûçûâàþò çàìåòíûå èñêàæåíèÿ êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû, ñâÿçàííûå ñî ñìåùåíèåì îêðóæàþùèõ äåôåêò àòîìîâ îò èõ «èäåàëüíûõ» ïîëîæåíèé. Çíà÷èòåëüíà ãåîõèìè÷åñêàÿ ðîëü ýòèõ äåôåêòîâ, òàê êàê îíè âî ìíîãîì îïðåäåëÿþò òðàíñïîðòíûå ÿâëåíèÿ â ìèíåðàëàõ, ïîñêîëüêó ìåõàíèçì íàèáîëåå áûñòðîé äèôôóçèè ñâÿçàí ÷àùå âñåãî ñ ïåðåìåùåíèåì âàêàíñèé â èõ ñòðóêòóðàõ.

Ëèíåéíûå (îäíîìåðíûå) äåôåêòû — äèñëîêàöèè, öåïî÷êè âàêàíñèé èëè ìåæäîóçåëüíûõ àòîìîâ — ýòî íàðóøåíèÿ â ñòðóêòóðå, ìàëûå â äâóõ èçìåðåíèÿõ, íî ñðàâíèòåëüíî ïðîòÿæåííûå â òðåòüåì. Ãëàâíóþ ðîëü ñðåäè äåôåêòîâ ýòîãî òèïà èãðàþò äèñëîêàöèè, îñíîâíûìè òèïàìè êîòîðûõ ÿâëÿþòñÿ êðàåâàÿ (Â) è âèíòîâàÿ äèñëîêàöèè (Ã) (ñì. ðèñ. 3).

Äèñëîêàöèè ïîñëåäíåãî òèïà îáåñïå÷èâàþò íåèñ÷åçàþùóþ ñòóïåíüêó äëÿ ñïèðàëüíîãî ðîñòà çà ñ÷åò ñäâèãà îäíîé ÷àñòè êðèñòàëëà îòíîñèòåëüíî äðóãîé. Îñü N (ñì. ðèñ. 3), âîêðóã êîòîðîé ïðîèñõîäèò çàêðó÷èâàíèå ñëîåâ, íàçûâàåòñÿ îñüþ âèíòîâîé äèñëîêàöèè, ïðè ýòîì çàêðó÷èâàíèå ìîæåò ïðîèñõîäèòü êàê ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå, òàê è ïðîòèâ íåå (ïîëîæèòåëüíàÿ èëè îòðèöàòåëüíàÿ äèñëîêàöèÿ). Ýòè òèïû äåôåêòîâ ÷àñòî íàáëþäàþòñÿ â ìèíåðàëàõ, èñïûòàâøèõ ïëàñòè÷åñêóþ äåôîðìàöèþ.

Ïîâåðõíîñòíûå (äâóõìåðíûå) äåôåêòû — ýòî ãðàíèöà êðèñòàëëè÷åñêèõ çåðåí è äâîéíèêîâ, áëîêîâ ìîçàè÷íûõ êðèñòàëëîâ, ìåæôàçîâûå ãðàíèöû, äåôåêòû óïàêîâêè, à òàêæå ñàìà ïîâåðõíîñòü êðèñòàëëà (ïîñêîëüêó ñâîéñòâà àòîìîâ â ïîâåðõíîñòíîì ñëîå ñóùåñòâåííî îòëè÷íû îò ñâîéñòâ àòîìîâ, ðàñïîëîæåííûõ âíóòðè êðèñòàëëà). Íàèáîëåå âàæíûìè ÿâëÿþòñÿ áîëüøåóãëîâûå è ìàëîóãëîâûå ãðàíèöû, äåôåêòû óïàêîâêè, ãðàíèöû äâîéíèêîâ.

Ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèé ñïëàâ ñîäåðæèò îãðîìíîå ÷èñëî ìåëêèõ çåðåí.  ñîñåäíèõ çåðíàõ ðåøåòêè îðèåíòèðîâàíû ðàçëè÷íî (ðèñ. 4) è ãðàíèöà ìåæäó çåðíàìè ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïåðåõîäíûé ñëîé øèðèíîé 1-5 íì.

 íåì íàðóøåíà ïðàâèëüíîñòü ðàñïîëîæåíèÿ àòîìîâ, èìåþòñÿ ñêîïëåíèÿ äèñëîêàöèé, ïîâûøåíà êîíöåíòðàöèÿ ïðèìåñåé. Ãðàíèöû ìåæäó çåðíàìè íàçûâàþòñÿ áîëüøåóãëîâûìè, ò. ê. ñîîòâåòñòâåííûå êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèå íàïðàâëåíèÿ â ñîñåäíèõ çåðíàõ îáðàçóþò óçëû â äåñÿòêè ãðàäóñîâ (ðèñ. 4 à).

Ðèñ. 4. Ñõåìû ñòðîåíèÿ áîëüøåóãëîâûõ (à) è ìàëîóãëîâûõ (á) ãðàíèö

Êàæäîå çåðíî ñîñòîèò èç ñóáçåðåí. Ñóáçåðíî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÷àñòü êðèñòàëëà îòíîñèòåëüíî ïðàâèëüíîãî ñòðîåíèÿ, à åãî ãðàíèöû — ñòåíêè äèñëîêàöèé, êîòîðûå ðàçäåëÿþò çåðíî íà îòäåëüíûå ñóáçåðíà (ðèñ. 4 á). Óãîë âçàèìíîé ðàçîðèåíòàöèè ìåæäó ñîñåäíèìè ñóáçåðíàìè íåâåëèê (íå áîëåå 5%), ïîýòîìó òàêèå ãðàíèöû íàçûâàþòñÿ ìàëîóãëîâûìè.

Äåôåêò óïàêîâêè ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÷àñòü àòîìíîé ïëîñêîñòè, îãðàíè÷åííóþ äèñëîêàöèÿìè, â ïðåäåëàõ êîòîðîé íàðóøåí íîðìàëüíûé ïîðÿäîê ÷åðåäîâàíèÿ àòîìíûõ ñëîåâ.

Äâîéíèêè. Äâîéíèêîâàíèåì íàçûâàþò ñèììåòðè÷íóþ ïåðåîðèåíòàöèþ îáëàñòåé êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè. Ðåøåòêà âíóòðè äâîéíèêîâîé ïðîñëîéêè ÿâëÿåòñÿ çåðêàëüíûì îòîáðàæåíèåì ðåøåòêè â îñòàëüíîé ÷àñòè êðèñòàëëà.

Îáúåìíûå äåôåêòû (ïóñòîòû, ïîðû, òðåùèíû è âêëþ÷åíèÿ) èìåþò çíà÷èòåëüíûå ðàçìåðû âî âñåõ òðåõ íàïðàâëåíèÿõ è â äàííîé ðàáîòå ïîäðîáíî íå ðàññìàòðèâàþòñÿ.

Ãëàâà 2. Êðèñòàëëè÷åñêîå ñòðîåíèå ìåòàëëîâ è ñïëàâîâ

2.1 Õàðàêòåðíûå òèïû êðèñòàëëè÷åñêèõ ðåøåòîê ìåòàëëîâ

Áîëüøèíñòâî ìåòàëëîâ èìåþò êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåøåòêó îäíîãî èç òðåõ íèæå ïðèâåäåííûõ òèïîâ.

Îáúåìíîöåíòðèðîâàííûé êóá (ÎÖÊ) — àòîìû ðàñïîëîæåíû â âåðøèíàõ êóáà (ìåòàëëû — Ê, Na, Li, Ti, W, Ta, Cr è äð.); ãðàíåöåíòðèðîâàííûé êóá (ÃÖÊ) — àòîìû ðàñïîëîæåíû â âåðøèíàõ êóáà è â öåíòðå êàæäîé ãðàíè (ìåòàëëû — Sr, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu è äð.); ãåêñàãîíàëüíàÿ ïëîòíîóïàêîâàííàÿ (ÃÏÓ) — àòîìû ðàñïîëîæåíû â âåðøèíàõ è öåíòðå øåñòèãðàííûõ îñíîâàíèé ïðèçìû, à òðè àòîìà — â ñðåäíåé ïëîñêîñòè ïðèçìû (ìåòàëëû — Mg, Cd, Os, Zn, è äð.).

Ðèñ. 5 Êðèñòàëëè÷åñêèå ðåøåòêè ìåòàëëîâ: à — îáúåìíîöåíòðèðîâàííûé êóá; á — ãðàíåöåíòðèðîâàííûé êóá; â — ãåêñàãîíàëüíàÿ ïëîòíî óïàêîâàííàÿ ðåøåòêà; a, b, ñ — õàðàêòåðèñòèêè ðåøåòêè

Ïëîòíîñòü êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè ? îáúåìà, çàíÿòîãî àòîìàìè, êîòîðûå óñëîâíî ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê æåñòêèå øàðû (ñì. ðèñ. 5), õàðàêòåðèçóåòñÿ êîîðäèíàöèîííûì ÷èñëîì (Ê×). Ê× — ÷èñëî áëèæàéøèõ ðàâíîóäàëåííûõ ÷àñòèö (àòîìîâ) îò ëþáîãî àòîìà â êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêå (äëÿ ÎÖÊ — Ê×=8, äëÿ ÃÖÊ — Ê×=12). ×åì âûøå êîîðäèíàöèîííîå ÷èñëî, òåì áîëüøå ïëîòíîñòü óïàêîâêè àòîìîâ â ÿ÷åéêå.

Äëÿ õàðàêòåðèñòèêè ñòðóêòóðû ìåòàëëîâ ÷àùå âñåãî èñïîëüçóåòñÿ îïèñàíèå â ïðèáëèæåíèè ïëîòíåéøèõ øàðîâûõ óïàêîâîê (ÏØÓ). Âñå àòîìû â ìåòàëëè÷åñêîì êðèñòàëëå îäèíàêîâû, â íåì íåò ïðåäïî÷òèòåëüíûõ íàïðàâëåíèé ñâÿçè, êàê â êîâàëåíòíûõ êðèñòàëëàõ.  ïëîñêîñòè ñóùåñòâóåò òîëüêî îäèí ñïîñîá ðàçìåùåíèÿ øàðîâ — òàê, ÷òîáû êàæäûé áûë îêðóæåí øåñòüþ áëèæàéøèìè ñîñåäÿìè (ðèñ. 5). Âî âòîðîì ñëîå êàæäûé øàð ëîæèòñÿ â óãëóáëåíèå ìåæäó øàðàìè íèæíåãî ñëîÿ òîæå òîëüêî îäíèì ñïîñîáîì. À âîò â òðåòüåì ñëîå åñòü äâà âàðèàíòà ðàñïîëîæåíèÿ øàðîâ, òàê êàê âî âòîðîì ñëîå åñòü äâà òèïà óãëóáëåíèé: íåïîñðåäñòâåííî íàä øàðàìè ïåðâîãî ñëîÿ è íàä ïóñòîòàìè ïåðâîãî ñëîÿ.

Åñëè øàðû òðåòüåãî ñëîÿ çàïîëíÿþò ëóíêè è òî÷íî ïîâòîðÿþò ðàñïîëîæåíèå ïåðâîãî, òî ñëîè ÷åðåäóþòñÿ êàê ÀÂÀÂÀ (ðèñ. 6 à). Óïàêîâêà îêàçûâàåòñÿ äâóõñëîéíîé, à ýëåìåíòàðíàÿ ÿ÷åéêà — ãåêñàãîíàëüíîé. Ýòîò ñïîñîá óïàêîâêè øàðîâ íàçûâàåòñÿ ãåêñàãîíàëüíîé ïëîòíåéøåé óïàêîâêîé (ÃÏÓ). Òàêóþ ñòðóêòóðó èìåþò êðèñòàëëû ìàãíèÿ, áåðèëëèÿ, êàäìèÿ, ñòðîíöèÿ è ìíîãèõ äðóãèõ ìåòàëëîâ.

Åñëè øàðû òðåòüåãî ñëîÿ íàõîäÿòñÿ íàä ïóñòîòàìè ïåðâîãî (ñì. ðèñ. 6 á), òî âñå òðè ñëîÿ îêàçûâàþòñÿ ñìåùåííûìè äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà, è ëèøü ÷åòâåðòûé ñëîé ïîëíîñòüþ ïîâòîðÿåò ïåðâûé. Ñëîè ÷åðåäóþòñÿ êàê ÀÂÑÀÂÑ (ðèñ. 6 á). Òàêàÿ óïàêîâêà íàçûâàåòñÿ òðåõñëîéíîé, ýëåìåíòàðíàÿ ÿ÷åéêà — êóáè÷åñêîé ãðàíåöåíòðèðîâàííîé (ÃÖÊ), à ñïîñîá óïàêîâêè ? êóáè÷åñêîé ïëîòíåéøåé óïàêîâêîé (ÊÏÓ). Ýòà ñòðóêòóðà õàðàêòåðíà äëÿ ìåäè, çîëîòà, àëþìèíèÿ, ñâèíöà è ðÿäà äðóãèõ ìåòàëëîâ.

ÃÏÓ è ÊÏÓ — ñàìûå ïëîòíûå óïàêîâêè, â êîòîðûõ øàðû çàíèìàþò òðè ÷åòâåðòè (74,05 %) âñåãî îáúåìà. Êîîðäèíàöèîííîå ÷èñëî àòîìîâ â íèõ ðàâíî 12. Ïîìèìî ÃÏÓ è ÊÏÓ äëÿ ìíîãèõ ìåòàëëîâ õàðàêòåðíà êóáè÷åñêàÿ îáúåìíîöåíòðèðîâàííàÿ ñòðóêòóðà (ÎÖÊ).  òàêîé óïàêîâêå øàðàìè çàíÿòî òîëüêî 68% îáúåìà (ðèñ. 6 â), êîîðäèíàöèîííîå ÷èñëî ðàâíî 8. Òàê ïîñòðîåíû æåëåçî, âîëüôðàì, ìîëèáäåí è äð.

Ðèñ. 6. Ïëîòíåéøèå øàðîâûå óïàêîâêè ÃÏÓ (à), ÊÏÓ (á) è îáúåìîöåíòðèðîâàííàÿ êóáè÷åñêàÿ ðåøåòêà (â)

2.2 Âëèÿíèå äåôåêòîâ íà ñâîéñòâà ìåòàëëîâ

Ïîâåðõíîñòíûå äåôåêòû âëèÿþò íà ìåõàíè÷åñêèå è ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ. Îñîáåííî áîëüøîå çíà÷åíèå èìåþò ãðàíèöû çåðåí. Ïðåäåë òåêó÷åñòè óT ñâÿçàí ñ ðàçìåðîì çåðåí çàâèñèìîñòüþ óT = ó0 + êd-1/2, ãäå ó0 è ê — ïîñòîÿííûå äëÿ äàííîãî ìàòåðèàëà. ×åì ìåëü÷å çåðíî, òåì âûøå ïðåäåë òåêó÷åñòè, âÿçêîñòü è ìåíüøå îïàñíîñòü õðóïêîãî ðàçðóøåíèÿ

2.3 Ñòðîåíèå è ñâîéñòâà ñïëàâîâ

Ñïëàâû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé âàæíûå âåùåñòâà, ïîëó÷àåìûå ñïëàâëåíèåì èëè ñïåêàíèåì íåñêîëüêèõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ (êîìïîíåíòîâ) â îïðåäåëåííîì ñîîòíîøåíèè. Ñïëàâ íàçûâàþò ìåòàëëè÷åñêèì, åñëè îí áîëåå ÷åì íà 50 ìàññ.% ñîñòîèò èç ìåòàëëè÷åñêèõ êîìïîíåíòîâ.

Ìåòàëëè÷åñêèå ñïëàâû îáëàäàþò áîëåå âûñîêèìè ïðî÷íîñòíûìè è äðóãèìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè ïî ñðàâíåíèþ ñ ÷èñòûìè ìåòàëëàìè.

Êîìïîíåíòû ïðè ñïëàâëåíèè ìîãóò îáðàçîâûâàòü ñìåñè çåðåí ïðåíåáðåæèìî ìàëîé âçàèìíîé ðàñòâîðèìîñòüþ, íåîãðàíè÷åííî èëè ÷àñòè÷íî ðàñòâîðÿòüñÿ äðóã â äðóãå, îáðàçîâûâàòü õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ. Õàðàêòåð âçàèìîäåéñòâèÿ, â ñâîþ î÷åðåäü, îïðåäåëÿåòñÿ âçàèìíûì ïîëîæåíèåì êîìïîíåíòîâ îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà â òàáëèöå Ä.È. Ìåíäåëååâà.

Èñòî÷íèêè

1. Êðèñòàëëîãðàôèÿ è êðèñòàëëîõèìèÿ: ó÷åáíèê / Þ.Ê. Åãîðîâ — Òèñìåíêî; ïîä ðåä. àêàäåìèêà Â.Ñ. Óðóñîâà. — Ì.: ÊÄÓ, 2005. — 592 ñ: èë.

2. Îáùàÿ õèìèÿ: ó÷åáíîå ïîñîáèå / Ãëèíêà Í.Ë. — 24 — å èçä., èñïð. — Ë.: Õèìèÿ, 1985. — 702 ñ.

3. Ìàòåðèàëîâåäåíèå è òåõíîëîãèÿ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ: ó÷åáíèê / Â.Ñ. Êóøíåð, À.Ñ. Âåðåùàêà, À.Ã. Ñõèðòëàäçå, Â.À. Ãîðåëîâ, Ä.À. Íåãðîâ, Î.Þ. Áóðãîíîâà; ïîä ðåä. Â.Ñ. Êóøíåðà. — Îìñê: Èçä — âî ÎìÃÒÓ, 2009. — 520 ñ.

4. Ìàòåðèàëîâåäåíèå: ó÷åáíîå ïîñîáèå / Ë.À. Ìàëüöåâà, Ì.À. Ãåðâàñüåâ, À.Á. Êóòüèí — Åêàòåðèíáóðã: ÃÎÓ ÂÏÎ ÓÃÒÓ — ÓÏÈ, 2007. 339 ñ.

5. Ìàòåðèàëîâåäåíèå. Ó÷åáíèê äëÿ ñòóäåíòîâ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé íà÷àëüíîãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ / ×åðåïàõèí À.À. Êîëòóíîâ È.È., Êóçíåöîâ Â.À. — Ì., Èçäàòåëüñêèé òîðãîâûé äîì «Êíîðóñ», 2009.

6. Íåîðãàíè÷åñêàÿ õèìèÿ:  3 ò. / Ïîä ðåä. Þ.Ä. Òðåòüÿêîâà. Ò. 1: Ôèçèêî-õèìè÷åñêèå îñíîâû íåîðãàíè÷åñêîé õèìèè: Ó÷åáíèê äëÿ ñòóä. âûñø. ó÷åá. çàâåäåíèé / Ì.Å. Òàìì, Þ.Ä. Òðåòüÿêîâ; — Ì.: Èçäàòåëüñêèé öåíòð «Àêàäåìèÿ», 2004. — 240 ñ.

Ïðèëîæåíèå

Ðåøåòêè Áðàâå

Ðàçìåùåíî íà Allbest.ru