materialovedenie1 (Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Колосанов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева, Н.В. Ульянова - Материаловедение), страница 8

1.24. Схемы строения большеуглопых (а) и мплоуглоиых (б) границ тым. Вектор, который нужен для замыкания контура, называется вектором Бюргерса. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации — параллелен ей. Плотность дислокаций — суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема. В полупроводниковых кристаллах она равна 1Π— 10' см ', у отожженных металлов-10в — 10в см з При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до !Оы — 10тз см з.

Попытка увеличить плотность свыше 10»з см з быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла. Дислокации появляются при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов. Дислокации наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении второй фазы из твердого раствора Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки.

Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации — так называемую атмосферу Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл. Рнс. 1.23. Зависимость предела текучести от плотности дефектов: 3 — идеальный кристалл без дефектов; 3 — без- дсфектиые кристаллы аусы»; 3 — отоюкенные металлы; 4 — металлы с увеличенной плотностью дефектов после обработки Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определенный предел текучести металлов в 1000 раз меньше теоретического значения. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженным состоянием.

Прочность бездефектных участков (в том числе длинных и тонких кусош>, полученных кристаллизацией из газовой фазы) приближается к теоретической (рис. 1.23). В полупроводниках дислокации влияют на электрические н другие свой- Строение и ееойгнжо итнеригмое 29 ства, снижают электрическое сопротивление, уменьшают время жизни носителей. Значение дислокаций особенно возрастает в микроэлектронике, где применяются тонкие пленочные кристаллы, и дислокации играют роль тонких проводящих каналов, вдоль которых легко перемещаются атомы примеси.

Поверхностные дефекты. Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников. В промышленности применяют как лаликристаллические, так и монокристаллические материалы. Поликристаллнческий сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 1.24), и граница между зернами представляез собой переходный слой шириной 1 — 5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, так как соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов (рис.

1.24,п). Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен или блоков. Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения. Границы субзерен представляют собой стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзерна или блоки (рис. 1.24,б). Угол взаимной разориентации между соседними субзернами невелик (не более 5 ), поэтому такие границы называются малоугловыми.

На малоугловых границах также скапливаются примеси. Дефект упаковки предсгавляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев. Например, в сплавах с ГЦК решеткой черелуются плотноупакованные слои АВСАВСАВ..., а при прохождении через дефект упаковки слои черелуются в последовательности АВСВСАВС... Чередование слоев ВСВС... типично для кристаллов с ГПУ решеткой, и, таким образом, дефект упаковки представляет собой как бы тонкую пластинку с ГПУ решеткой в ГЦК решетке. Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов.

Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести о, связан с размером зерен й' зависимостью о; =о„+4( пе, где оо и )г — постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения. Аналогично, но более слабо влияет на механические свойства размер субзереп. Вдоль границ зерен и субзерен быстро протекает диффузия (во много раз быстрее, чем сквозь кристалл), особенно при нагреве. Взаимодействие между дефектами, перемещения их в кристаллах, изменение концентрации дефектов — все это отражается на свойствах и имеет большое практическое значение. 1.5. Диффузия в металлах и сплавах Многие процессы, протекающие в металлах и сплавах, особенно при повышенных температурах, связаны с самодиффузией или диффузией.

Самодиффузия — переход атома металла из узла кристаллической решетки в соседний или в межузлие под действием теплового возбуждения. Диффузия †перен разнородных атомов, который сопровождается изменением концентрации компонентов в отдельных зонах сплава. Для описания процессов диффузии или самодиффузии прелложено несколько механизмов (обменный, циклический, межузельный, вакансионный и др.). Однако реализуется тот механизм диффузии или самодиффузии, при котором окажется наименьшей величина энерге- 30 Закономерности формировамия ооруятурм материалов тического барьера (энергия активации), преодолеваемого перемещающимися атомами.

Энергия активации зависит от сил межатомной связи и дефектов кристаллической решетки, которые облегчают диффузионные переходы (энергия активации по границам зерен вдвое меньше, чем в обьеме зерна). Для металлических атомов более вероятным является вакансионный механизм, а для элементов с малым атомным радиусом (Н, Х, С) — межузельный.

Классическими законами диффузии считаются законы Фика, которые справедливы для слабых растворов илн систем с малым перепадом лиффундирующего вещества — градиентом концентрации дс/дх. Первый закон Фика: Ьи = — Рде/дхазат. При постоянной температуре количество диффундирующего вещества Ьи в единицу времени через единицу поверхности а5 пропорционально градиенту концентрации дс/дх и коэффициенту диффузии Р (см'/с). Знак минус указывает, что диффузия протекает в направлении, обратном вектору градиента концентрации, т. е.

от зоны с большей концентрацией к зоне с меныпей концентрацией диффундирующего элемента, Когда градиент концентрации изменяется во времени, а коэффициент диффузии принимается независящим от концентрации, процесс диффузии описывается вторым законом Фика, который выводится из первого закона: дс/дт = Рд~е/дх'. Коэффициент диффузии Р (смз/с) определяет скорость диффузии при перепаде концентрации, равном единице, зависит от состава сплава, размеров зерен и температуры процесса. Для определенного диапазона температур С Аррениус установил экспоненциальную зависимость коэффициента диффузии от температуры: Р = Р,е - Сваг где Є— предэкспоненциальный множитель, зависящий от сил связи между атомами кристаллической решетки; Д вЂ” энергия активации процесса диффузии; к — газовая постоянная. В дальнейшем для описания диффузионных процессов в сложных сплавах ученые уточняли законы Фика, вводили понятия градиента химического потенциала или градиента термодинамической активности вместо градиента концентрации.

Диффузионные процессы лежат в основе кристаллизации и рекристаллизации, фазовых превращений и насыщения поверхности сплавов другими элементами. Более подробно об этом сообщается в последующих главах. 1.6. Жидкие кристаллы Жидкие кристаллы — это жидкости с упорядоченной молекулярной структурой. Благодаря упорядочению молекул они занимают промежуточное положение между кристаллами и обычными жидкостямн с беспорядочным расположением молекул. Жидкие кристаллы текучи, как обычные жидкости, но в то же время обладают анизотропией свойств, как кристаллы. Известно несколько сотен жидких кристаллов, важное место среди них занимают некоторые органические вещества, у которых молекулы имеют удлиненную форму.

При плавлении таких веществ в силу особенностей межмолекулярного взаимодействия удлиненные молекулы располагаются в определенном порядке. Промежуточное состояние с упорядоченной структурой сохраняется в интервале температур от точки плавления вещества до точки перехода жидкого кристалла в изотропную жидкость. При переходе из-за усилившихся тепловых колебаний упорядоченная молекулярная структура полностью исчезает, увеличивается прозрачность вещества, и поэтому верхнюю температурную точку существования жидкого кри- аз Ряс. 1.25. Типы структур жидких кристаллов сталпа часто называют зочкой просветления.