lekcii (Лекции), страница 5

Основное условие – размерный фактор. Размермежузельного атома не должен значительно превышатьразмер поры.• Твердыерастворывнедренияимеютограниченнуюрастворимость.Типрешеткиосновы(растворителя)преимущественно ГЦК или ГП, где есть поры размером 0,41R.В ОЦК размер пор 0,29R, растворимость внедрения мала.•Примеры растворов внедрения: твердые растворы углерода вFеα , до 0,02% и в Fе γ , до 2,14%.•••Искажения решетки при образовании растворов внедрениябольше, чем для растворов замещения. Поэтому изменениясвойств более значительно.

Характер изменения свойств сростом концентрации внедренного компонента аналогичен призамещении – электросопротивление, твердость, прочность,возрастают, пластичность, вязкость – снижаются.В сплаве ,содержащем более 2-х компонентов, возможноодновременноеобразованиераствороввнедренияизамещения. Например в сплаве железа, углерода, марганцауглерод образует раствор внедрения, а марганец – замещения.Большинство промышленных сплавов - твердые растворы.СПЛАВЫТвердыерастворыПромежуточныефазыРастворзамещенияУпорядоченныйНеупорядоченныйРаствор внедренияДиаграмма 3.1. Твѐрдые растворы и фазы в сплавах2.Промежуточные фазы•••••При определенных свойствах и соотношении компонентыобразуютсобственнуюкристаллическуюрешетку,отличающуюся от исходных – промежуточную фазу (ПФ).Промежуточная фаза может иметь упорядоченную (частичноили полностью) или неупорядоченное решетку и существует внекотором интервале концентраций.

Обозначают ПФ также каки твердые растворы – α, β, γ, δ либо химическими формулами.Структура ПФ зависит от относительного размера атомов, ихвалентности и положения в периодической системе.• Системы «металл- неметалл».Фазы с ионным типом связи, к которым относятся оксидыметаллов. FеО с ГЦК решеткой. Кислород в узлах, Fе в порах,рис.3.3. Часть Ме узлов свободна, их дефицит определяетполупроводниковые свойства.Фазы с ионно-ковалентным типом связи образуются привзаимодействии Ме I-III групп с НеМе V-VI групп подгруппы В.••••••Например, ZnS, АlР со свойствами полупроводников.Фазы с ковалентно-металлической связью образуютпереходные металлы с неметаллами внедрения – С, N, В, Н иназываются соответственно карбидами, нитридами, боридами,гидридами.Кристаллическаяструктураопределяетсяотносительными размерами атомов металла и неметалла.Если Rнм / Rм < 0,59 то атом НМ размещается в поре.

Эти ПФназываются фазами внедрения.Если Rнм / Rм > 0,59 атом НМ не размещается в поре,образуютсясложныепространственныерешеткинесовпадающие с типом решетки Ме.Химический состав фаз внедрения указывается формуламиМеХ, Ме2Х, Ме4Х, МеХ4. Однако реальный состав отличается отстехиометрического и имеет переменное значение.Фазы внедрения типа МеХ относятся карбиды: ТiС, NbС, WС,МоС, VС.• W, Mо могут образовывать фазы внедрения : Мо2С, W2С.• В фазах внедрения преобладает металлическая связь, чтоопределяет высокую электропроводность, положительныйкоэффициент электросопротивления, в некоторых фазах –сверхпроводимость.

Ковалентная связь проявляет себятугоплавкостью, высокой твердостью.• Карбиды и нитриды присутствуют во многих коррозионностойких, износостойких, жаропрочных сплавах.• Карбиды с Rнм / Rм > 0,59: Fе3С (цементит), Мn3С, Сr23С6, Сr7С3 –важнейшие ПФ в сталях, определяющие их свойства. В нихпроявляется как металлическая, так и ковалентная связь. Ониимеют высокую твердость, хрупкость, тугоплавкость, ноуступают карбидам – фазам внедрения.• Системы «металл- металл»• Если добавки компонентов образуют чисто металлический типсвязи, получаем: электронные фазы; фазы Лавеса; ζ- фазы.•Электронные фазы – соединения, в которых содержание Меболее высокой валентности составляет: 3/2; 21/13; 7/4.

Ихобозначают β, γ, ε соответственно. Им соответствуют химическиеформулы, например в медно-цинковых сплавах: CuZn; Cu5Zn8;CuZn3.•Свойства электронных β -соединений, в частности мехсвойства,зависят от упорядоченности. В неупорядоченных свойства близкик твердым растворам, - твердость невысокая, пластичны. Принизких температурах неустойчивы, - распадаются на 2-х фазныесмеси, либо упорядочиваются.Упорядоченные значительно тверже и хрупче.γ – практически всегда упорядочены до Тпл. ε – напротив, всегданеупорядочены. Как правило это упрочняющие фазы.Фазы Лавеса, имеют постоянный состав АВ2.

Образуются приусловии атомный радиус В должен быть меньше А на 20-30%.ФЛ имеют упорядоченные сложные решетки. В магнитном поле –диамагнетики. В жаропрочных сплавах – упрочняют сплав.•••••Сигма-фазы имеют переменный состав, образуются впереходных металлах с близкими размерами атомов.

Имеютчастично-упорядоченную сложную решетку.Увеличиваюттвердость и хрупкость сплавов, например в коррозионностойких сплавах при содержании Сr > 20%.СПЛАВЫТвердые растворыПромежуточные фазыМЕТАЛЛ-НЕМЕТАЛЛИОННЫЙ ТИП СВЯЗИИОННО-КОВАЛЕНТНЫЙКОВАЛЕНТНОМЕТАЛЛИЧЕСКИЙМЕТАЛЛ-МЕТАЛЛЭЛЕКТРОННЫЕ ФАЗЫФАЗЫ ЛАВЕСАζ- ФАЗЫДиаграмма 3.2.Промежуточныефазы в сплавах3.Дефекты кристаллов, прочность.••••••Реальные кристаллы всегда имеют дефекты. Различаютточечные, линейные, поверхностные, объемные дефекты по размерам.Дефекты подвижны в кристаллической решетке, при сближениивзаимодействуют между собой. Подвижность дефектовконтролируется диффузией.Движение дефектов под действием напряжений несвязано с диффузией и возможно при низких температурах.Точечные дефекты.

К ним относят вакансии, межузельныеатомы, атомы внедрения.Вакансия – дефект, образовавшийся после удаления атома изрешетки, рис.3.2 а).Межузельный атом – дефект, образовавшийся послевнедрения атома в бездефектную решетку. Как правилозанимает пору в кристаллической решетке, рис. 3.2. б).•••Атом внедрения- дефект, образовавшийся после внедренияатома примеси в бездефектный кристалл, рис. 3.2 в). Занимаетпозицию в поре решетки, размер соответствует размеру поры илинесколько больше.Вакансии и МУз атомы существуют в кристаллах при Т >0°Квследствие тепловых колебаний атомов.Каждой Т°соответствует равновесная концентрация вакансий, Муз.Например в меди при 20°С содержится 10 -13% вакансий, а при Тпл– 10 -2%.

Неравновесная концентрация (пересыщение)достигается при резком охлаждении, пластической деформации,нейтронном облучении.Стечениемвремениравновеснаяконцентрациявосстанавливается – на свободных поверхностях кристалла,порах, границах и дефектах решетки.

Места, где исчезаютвакансии называются стоками вакансий. Вакансии ускоряютдиффузию в кристалле.••••Все виды точечных дефектов искажают кристаллическуюрешетку и влияют на физические свойства, например повышаютэлектросопротивление в чистых металлах. На механическиесвойства точечные дефекты практически не влияют, кромеоблучения в больших дозах.Линейные дефекты, - винтовые и краевые дислокации.Схематически кристалл может быть представлен какчередование плоскостей, проведенных через слои атомов,рис.3.5.

Плоскость, частично не заполненная атомамикристалла, называется экстраплоскостью. Край такой«лишней» плоскости называется краевой дислокацией иобозначается знаком ┴. Этот край представляет собой линиюили кривую, следовательно дефект линейный.Винтовая дислокация образована перемыканием плоскостейкристалла вокруг оси, образующим винтовую линию, рис. 3.5.••Вокруг дислокации решетка упруго искажена. Мера искажения– вектор Бюргерса, - недостающий шаг для замыканияконтура вокруг дислокации, рис.3.6.В краевой дислокации вектор Б направлен перпендикулярно кдислокационной линии, в винтовой – параллельно.• Дислокации перемещаются под действием напряжений.

Добразуют объемную сетку с узлами, в каждом узле соединены 3дислокации, ∑bi=0.• Дислокациям присваивают знак + или – в зависимости оториентации вектора Б. Д одного знака отталкиваются,противоположного – притягиваются.• Количество дислокаций измеряют плотностью – длинойдислокаций в единице объема. Примерные значения плотностиД.

приведены в табл.3.1.Табл.3.1.ПЛОТНОСТЬ ДИСЛОКАЦИЙ, см-2Полупроводники104-105Отожженныйкристалл106-108Холоднаядеформация1011-1012• Д возникают при образовании кристалла и оказывают влияниена свойства материалов – увеличивают скорость диффузии,служат местом концентрации примесных атомов, особенноатомов внедрения.

Скопление таких атомов – атмосфераКотрелла препятствует движению дислокации и упрочняеткристалл.• Присутствие Д и их подвижность под действием напряженийоказывают важное влияние на прочность кристалла.Экспериментально подтверждено, что в отсутствие Д(монокристалл) прочность близка к теоретической и в 1000 разпревышает наблюдаемую в поликристаллах. Увеличениеплотности Д также приводит к росту прочности, рис.3.7.••••К поверхностным дефектамотносят: большеугловыеграницы, малоугловые границы, дефекты упаковки,границы двойников.Большинствокристаллическихматериаловявляютсяполикристаллами – состоят из множества отдельныхкристаллов – зерен.Как правило соседние зерна ориентированы различно, границамежду ними представляет переходной слой толщиной 1-5 нм.Правильность расположения атомов в нем нарушена, плотностьдислокаций выше, чем внутри зерна, примеси сосредоточенытакже на границе, рис.3.8.Границы между зернами называются большеугловыми, т.

к.соответствующие направления в соседних зернах составляютуглы в десятки и более градусов.••••Малоугловыми называются границы между субзернами изкоторых состоит отдельное зерно, рис. 3.8 б). Угол взаимнойориентации между субзернами невелик, до 5°, а границысостоят из ряда дислокаций – стенок.

Здесь также повышенаконцентрация вакансий и примесей, следовательно это такжеповерхностный дефект.Дефект упаковки – часть атомной плоскости, ограниченнаядислокациями, в пределах которой нарушен порядокчередования атомных слоев. Например, в ГЦК решеткеправильное чередование можно записать АВС.АВС… Припоявлении дефекта упаковки запись будет АВС.ВС.АВС…К объемным дефектам относят поры, трещины,включения.Дефекты существенно влияют на механические и физическиесвойства материалов. На границах зерен происходит остановкаскольжениядислокаций.Впромышленныхсплавахограничивают размер зерна с целью формирования высокихмеханических характеристик материалов.