Строение реальных кристаллов. Дефекты и их влияние на свойства металлов и сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева»

Кафедра Инновационных материалов и защиты от коррозии

Реферат

Строение реальных кристаллов. Дефекты и их влияние на свойства металлов и сплавов

Выполнила:

Миронюк В.Б.

Студентка группы О-36

Проверила:

асс. Аверина Ю.М.

Москва 2015

Содержание

кристалл атомный ионный сплав

Глава 1. Кристаллическое состояние вещества

1.1 Понятие кристалличности. Причины, условия, механизм образования кристаллов

1.2 Строение идеальных кристаллов

1.3 Реальные кристаллы. Дефекты кристаллической решетки

Глава 2. Кристаллическое строение металлов и сплавов

2.1 Характерные типы кристаллических решеток металлов

2.2 Влияние дефектов на свойства металлов

2.3 Строение и свойства сплавов

Заключение

Источники

Приложение

Глава 1. Кристаллическое состояние вещества

1.1 Понятие кристалличности. Причины, условия, механизм образования кристаллов

Материальные частицы, из которых состоят газообразные или жидкие (расплавленные) вещества, обладая высокой кинетической энергией, находятся в непрерывном движении. Периодически они сталкиваются, образуя зародыши - микроскопические фрагменты будущей структуры. Чаще всего такие зародыши распадаются, что связано либо с собственными колебаниями, либо с бомбардировкой их свободными частицами.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы зародыш достиг критической величины, т.е. содержал такое количество частиц, при котором присоединение следующей частицы сделало бы разрастание зародыша энергетически более выгодным, чем его распад. Это осуществимо для большинства веществ либо с понижением температуры, в результате чего уменьшаются тепловые колебания, либо с повышением концентрации вещества в растворе или газе, что приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, т.е. к возникновению зародышей.

Рост кристаллов можно рассматривать как процесс достижения микроскопическими частицами макроскопических размеров. При этом кристаллизация возникает не во всем объеме, а только там, где появляются зародыши. Факторами, влияющими на появление зародышей, являются переохлаждение, повышение концентрации раствора, вязкости расплава, присутствие посторонних обломков кристаллов или пылинок (на поверхности последних сорбируются частицы, облегчая этим начало кристаллизацию).

Причина кристаллизации заключается в том, что при данных P-, T-условиях энергетически наиболее выгодно такое состояние вещества, при котором силы межмолекулярного взаимодействия уравновешены, что достигается лишь в случае упорядоченного расположения частиц. Процесс кристаллизации оказывается энергетически выгодным для системы. На конечную форму кристалла сильно влияют изменяющиеся условия кристаллизации: давление, температура, сила тяжести, химический состав и динамика среды и т.д.

На данный момент исследован ряд механизмов роста кристаллов. Одной из наиболее распространенных и подтвержденных экспериментально является теория несовершенного роста Ф. Франка (1884-1866 гг.).

Грани реальных кристаллов практически никогда не бывают идеальны. На их поверхности всегда присутствуют дефекты, благодаря которым возникают винтовые и краевые дислокации (см. Рис. 1), генерирующие на своей поверхности не исчезающею в процессе роста ступеньку. Нарастание грани происходит по спирали путем навивания одного слоя на другой. Дислокации, в свою очередь, являются постоянным источником возникновения слоев.

Рис. 1. Схема спирального роста кристалла

Тем не менее, данная теория является не применимой для сильно пересыщенных растворов и расплавов, где становятся возможными другие механизмы роста.

1.2 Строение идеальных кристаллов

Каждое вещество обычно образует кристаллы совершенно определенной формы. Например, хлорид натрия кристаллизуется в форме кубов, квасцы - в форме октаэдров, нитрат натрия - в форме призм и т. д. Макрокристаллическая форма - одно из характерных свойств вещества. Классификация кристаллических форм основана на симметрии кристаллов.

Все разнообразие кристаллических форм может быть сведено к семи группам, или кристаллическим системам, которые, в свою очередь, подразделяются на классы.

Природные кристаллы, а также кристаллы, получаемые искусственным путем, редко в точности соответствуют теоретическим формам. Обычно при затвердевании расплавленного вещества кристаллы срастаются вместе. Потому форма каждого из них оказывается не вполне правильной. При быстром выделении вещества из раствора тоже получаются кристаллы, форма которых искажена вследствие неравномерного роста в условиях кристаллизации. Однако как бы неравномерно ни происходило развитие кристалла, как бы ни была искажена его форма, углы, под которыми сходятся грани кристалла данного вещества, остаются одними и теми же. Это составляет закон постоянства гранных углов - один из основных законов кристаллографии. По величине двугранных углов в кристалле можно установить, к какой кристаллической системе и к какому классу относится данный кристалл.

Исследовать внутреннюю структуру кристаллов удалось только в XX веке, после того, как в 1912 г. была открыта дифракция рентгеновских лучей, на которой основан рентгеноструктурный анализ. В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, и от того, какие силы взаимодействия между ними преобладают в данном кристалле, различают молекулярные, атомные, ионные и металлические решетки. Существуют вещества, в кристаллах которых значительную роль играют два рода взаимодействия между частицами. Так, в графите атомы углерода связаны друг с другом в одних направлениях ковалентной связью, а в других - металлической. Поэтому решетку графита можно рассматривать и как атомную, и как металлическую. Во многих неорганических соединениях, например, в ВеО, СuСl, связь между частицами, находящимися в узлах решетки, является частично ионной и частично ковалентной; решетки подобных соединений можно рассматривать как промежуточные между ионными и атомными. Решетки различных веществ различаются между собой не только по природе образующих их частиц, но и по взаимному расположению частиц в пространстве - по своему строению.

Это расположение можно представить в виде кристаллической решетки - пространственного каркаса, образованного пересекающимися прямыми линиями. В точках пересечения линий - узлах решетки лежат центры тех или иныех частиц.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую простран-ственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие твердое кристаллическое тело (см. рис. 2).

Рис. 2 Схема кристаллической решетки: ОX, ОY, ОZ - координатные оси; a, b, c, б, в, г - линейные и угловые характеристики решетки

Жирными линиями на рисунке выделен наименьший параллелепипед, последовательным перемещением которого в пространстве вдоль трех осей может быть построена вся решетка или кристалл. Силы притяжения и отталкивания обеспечивают связь между соседними (ближний порядок) или удаленными (дальний порядок) атомами. Наименьший параллелепипед (кристалл), дающий представление об атомной структуре и свойствах металла во всем объеме, называется элементарной ячейкой. Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют три отрезка - ребра (а, в, с), равные расстояниям до ближайших соседей по осям координат, и три угла (б, в, г) между этими отрезками.

Всего существует 14 типов элементарных ячеек, которые называются решетками Браве, по имени французского ученого, показавшего, что любую другую ячейку можно преобразовать в одну из этих четырнадцати. Эти решетки отличаются друг от друга кристаллографической симметрией и типом центровки, т. е. расположением дополнительных атомов того же типа, что и в вершинах элементарной ячейки. Все типы решеток Браве представлены в Приложении.

В последующих разделах будут более подробно рассмотрены элементарные ячейки, характерные для металлов и сплавов.

1.3 Реальные кристаллы. Дефекты кристаллической решетки

Нарушения правильности в расположении частиц, слагающих структуры реальных кристаллов, т.е. отклонения от их идеальной структуры, порождают дефекты. Для исследователя дефект - это источник информации о событиях, происшедших с данным кристаллом. Количество же и разнообразие дефектов зависят от условий роста, развития и особенностей структуры самого кристалла.

Интерес к изучению дефектов, их природы и свойств объясняется, с одной стороны тем, что даже своим существованием кристаллы обязаны, нарушениям своей структуры, а с другой - все более возрастающими требованиями к чистоте и совершенству кристаллов, используемых в науке, технике и промышленности, поскольку многие их свойства зависят от тех или иных дефектов (или от их отсутствия).

Классификация дефектов основана на геометрических признаках. Выделяют четыре типа дефектов: точечные - нульмерные, линейные - одномерные, поверхностные - двухмерные и объемные - трехмерные дефекты.

Рис. 3. Типы дефектов кристаллических структур: точечные дефекты - вакансия (А); внедрение атома в межузлие (Б); линейные дефекты - краевая дислокация (В); винтовая дислокация (Г)

Точечные (нульмерные) дефекты - это нарушения структуры в отдельных точках кристаллического пространства, малые во всех трех измерениях, локализованные в областях кристалла величиной от одного до нескольких атомных объемов. Это наиболее распространенный тип дефектов, связанных с нарушением периодичности в структурах кристаллов. Точечные дефекты подразделяются на вакансии (А) - пустые, незанятые атомами позиции структуры и атомы внедрения (Б), расположенные в междоузлиях (см. рис. 3).

Точечные дефекты, свойственные в той или иной мере всем природным кристаллам без исключения, возникают главным образом в процессе роста кристаллов, при их деформации или облучении и, как правило, распределены по всему их объему не равномерно.

В кристаллах данного вещества при каждой температуре существует некая равновесная концентрация точечных дефектов, тем большая, чем выше температура. Выявляют точечные дефекты различными структурно-чувствительными методами: спектральными, магнитными, ядерными и т.д.

Точечные дефекты вызывают заметные искажения кристаллической структуры, связанные со смещением окружающих дефект атомов от их «идеальных» положений. Значительна геохимическая роль этих дефектов, так как они во многом определяют транспортные явления в минералах, поскольку механизм наиболее быстрой диффузии связан чаще всего с перемещением вакансий в их структурах.

Линейные (одномерные) дефекты - дислокации, цепочки вакансий или междоузельных атомов - это нарушения в структуре, малые в двух измерениях, но сравнительно протяженные в третьем. Главную роль среди дефектов этого типа играют дислокации, основными типами которых являются краевая (В) и винтовая дислокации (Г) (см. рис. 3).

Дислокации последнего типа обеспечивают неисчезающую ступеньку для спирального роста за счет сдвига одной части кристалла относительно другой. Ось N (см. рис. 3), вокруг которой происходит закручивание слоев, называется осью винтовой дислокации, при этом закручивание может происходить как по часовой стрелке, так и против нее (положительная или отрицательная дислокация). Эти типы дефектов часто наблюдаются в минералах, испытавших пластическую деформацию.

Поверхностные (двухмерные) дефекты - это граница кристаллических зерен и двойников, блоков мозаичных кристаллов, межфазовые границы, дефекты упаковки, а также сама поверхность кристалла (поскольку свойства атомов в поверхностном слое существенно отличны от свойств атомов, расположенных внутри кристалла). Наиболее важными являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.

Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 4) и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 1-5 нм.

В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, т. к. соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют узлы в десятки градусов (рис. 4 а).

Рис. 4. Схемы строения большеугловых (а) и малоугловых (б) границ

Каждое зерно состоит из субзерен. Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы - стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзерна (рис. 4 б). Угол взаимной разориентации между соседними субзернами невелик (не более 5%), поэтому такие границы называются малоугловыми.

Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев.

Двойники. Двойникованием называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки. Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла.

Объемные дефекты (пустоты, поры, трещины и включения) имеют значительные размеры во всех трех направлениях и в данной работе подробно не рассматриваются.

Глава 2. Кристаллическое строение металлов и сплавов

2.1 Характерные типы кристаллических решеток металлов

Большинство металлов имеют кристаллическую решетку одного из трех ниже приведенных типов.

Объемноцентрированный куб (ОЦК) - атомы расположены в вершинах куба (металлы - К, Na, Li, Ti, W, Ta, Cr и др.); гранецентрированный куб (ГЦК) - атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (металлы - Sr, Tn, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu и др.); гексагональная плотноупакованная (ГПУ) - атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома - в средней плоскости призмы (металлы - Mg, Cd, Os, Zn, и др.).

Рис. 5 Кристаллические решетки металлов: а - объемноцентрированный куб; б - гранецентрированный куб; в - гексагональная плотно упакованная решетка; a, b, с - характеристики решетки

Плотность кристаллической решетки ? объема, занятого атомами, которые условно можно рассматривать как жесткие шары (см. рис. 5), характеризуется координационным числом (КЧ). КЧ - число ближайших равноудаленных частиц (атомов) от любого атома в кристаллической решетке (для ОЦК - КЧ=8, для ГЦК - КЧ=12). Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов в ячейке.

Для характеристики структуры металлов чаще всего используется описание в приближении плотнейших шаровых упаковок (ПШУ). Все атомы в металлическом кристалле одинаковы, в нем нет предпочтительных направлений связи, как в ковалентных кристаллах. В плоскости существует только один способ размещения шаров - так, чтобы каждый был окружен шестью ближайшими соседями (рис. 5). Во втором слое каждый шар ложится в углубление между шарами нижнего слоя тоже только одним способом. А вот в третьем слое есть два варианта расположения шаров, так как во втором слое есть два типа углублений: непосредственно над шарами первого слоя и над пустотами первого слоя.

Если шары третьего слоя заполняют лунки и точно повторяют расположение первого, то слои чередуются как АВАВАВ (рис. 6 а). Упаковка оказывается двухслойной, а элементарная ячейка - гексагональной. Этот способ упаковки шаров называется гексагональной плотнейшей упаковкой (ГПУ). Такую структуру имеют кристаллы магния, бериллия, кадмия, стронция и многих других металлов.

Если шары третьего слоя находятся над пустотами первого (см. рис. 6 б), то все три слоя оказываются смещенными друг относительно друга, и лишь четвертый слой полностью повторяет первый. Слои чередуются как АВСАВС (рис. 6 б). Такая упаковка называется трехслойной, элементарная ячейка - кубической гранецентрированной (ГЦК), а способ упаковки ? кубической плотнейшей упаковкой (КПУ). Эта структура характерна для меди, золота, алюминия, свинца и ряда других металлов.

ГПУ и КПУ - самые плотные упаковки, в которых шары занимают три четверти (74,05 %) всего объема. Координационное число атомов в них равно 12. Помимо ГПУ и КПУ для многих металлов характерна кубическая объемноцентрированная структура (ОЦК). В такой упаковке шарами занято только 68% объема (рис. 6 в), координационное число равно 8. Так построены железо, вольфрам, молибден и др.

Рис. 6. Плотнейшие шаровые упаковки ГПУ (а), КПУ (б) и объемоцентрированная кубическая решетка (в)

2.2 Влияние дефектов на свойства металлов

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести у_T связан с размером зерен зависимостью у_T = у₀ + кd-^1/2, где у₀ и к - постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения

2.3 Строение и свойства сплавов

Сплавы представляют собой важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием нескольких химических элементов (компонентов) в определенном соотношении. Сплав называют металлическим, если он более чем на 50 масс.% состоит из металлических компонентов.

Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и другими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами.

Компоненты при сплавлении могут образовывать смеси зерен пренебрежимо малой взаимной растворимостью, неограниченно или частично растворяться друг в друге, образовывать химические соединения. Характер взаимодействия, в свою очередь, определяется взаимным положением компонентов относительно друг друга в таблице Д.И. Менделеева.

Источники

1. Кристаллография и кристаллохимия: учебник / Ю.К. Егоров - Тисменко; под ред. академика В.С. Урусова. - М.: КДУ, 2005. - 592 с: ил.

2. Общая химия: учебное пособие / Глинка Н.Л. - 24 - е изд., испр. - Л.: Химия, 1985. - 702 с.

3. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник / В.С. Кушнер, А.С. Верещака, А.Г. Схиртладзе, В.А. Горелов, Д.А. Негров, О.Ю. Бургонова; под ред. В.С. Кушнера. - Омск: Изд - во ОмГТУ, 2009. - 520 с.

4. Материаловедение: учебное пособие / Л.А. Мальцева, М.А. Гервасьев, А.Б. Кутьин - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2007. 339 с.

5. Материаловедение. Учебник для студентов учебных заведений начального профессионального образования / Черепахин А.А. Колтунов И.И., Кузнецов В.А. - М., Издательский торговый дом «Кнорус», 2009.

6. Неорганическая химия: В 3 т. / Под ред. Ю.Д. Третьякова. Т. 1: Физико-химические основы неорганической химии: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / М.Е. Тамм, Ю.Д. Третьяков; -- М.: Издательский центр «Академия», 2004. -- 240 с.

Приложение

Решетки Браве

Размещено на Allbest.ru