Elementele de bază ale Shmakov de metal 2018

CAPITOLUL 3 și cristaline defecte de structură

Real cristal diferă de prezența ideală a tot felul de imperfecțiuni - imperfecțiuni. Practic, defectul este orice încălcare a ordinii de aranjare a atomilor în rețeaua cristalină. Defecte nu afectează numai proprietățile materialelor, dar de multe ori defini aceste proprietăți în medii specifice. Prin caracteristicile geometrice ale cristalului defecte de structură sunt clasificate în punctul (zero-dimensional), liniare (unidimensionale), suprafața (bidimensională) și volumetrică (tridimensională). defecte punctuale - acestea sunt încălcări ale structurii atomice a dimensiunilor cristaline sunt în toate cele trei dimensiuni comparabile cu dimensiunea unui atom. defectelor punctuale sunt posturi vacante, atomii interstițiale, atomii de impuritate și complexele acestora. defecte liniare sunt mici (au dimensiuni atomice) în două dimensiuni, dar amploarea lor în a treia dimensiune poate fi de până la dimensiunea cristalului. Pentru defecte liniare sunt lanturi lungi de defecte punctiforme și luxații. defecte superficiale sunt mici într-o singură dimensiune. Un exemplu de defecte de suprafață poate servi ca suprafața exterioară a cristalului, iar limitele granulelor din materiale policristaline. Prin defecte de volum care au o măsură semnificativă în toate cele trei dimensiuni, includ macroscopice incluziuni străine, fisuri și pori.

§ 3.1. defectelor punctuale

defectelor punctuale (Fig. 3.1) a fost separat în propria sa (structural) și impurități. defecte intrinsece sunt atomi interstițiale și posturile disponibile și impuritatea - atomi străine de elemente chimice (impurități), care sunt prezente întotdeauna, chiar și în metalul pur. Impuritățile pot acționa ca ambele metale si nemetale. Posturi vacante numite „goale“ (adică, atomii neocupat) Siturile cu zăbrele, atomii interstițiale - atomi Custom care sunt situate în afara nodurilor cu zăbrele.

atomii de impurificare pot ocupa puncte cu zăbrele (substituenții soiuri de bază) sau să fie situate în interstițiile (goluri) ale cristalului. În primul caz vorbim de impurități substitutionali. în al doilea - privind introducerea de impurități.

Fig. 3.1. Modelul bi-dimensională a unui cristal cu defecte punctuale:

1 - post vacant; 2 - atom interstițială; 3 și 4 - atomi de impuritate substitutionali; 5 - introducerea atom de impuritate

În zăbrele bcc, și HCP sunt fcc două tipuri de interstiții:

octaedrice și tetraedrice. In golurile cu zăbrele sunt cele mai mari în FCC centrul cubului și în mijlocul muchiilor sale (fig. 3.2 a). Fiecare dintre aceste goluri înconjurat de șase atomi care formează un octaedru (însă aceste goluri sunt numite octaedru). cavități mai mici sunt prezentate în Fig. 3.2b. Acestea sunt numite tetraedrice, deoarece acestea sunt înconjurate de patru atomi care formează tetraedru. In fiecare dintre golurile octaedrice poate fi înscrisă raza sferei 0,41 R A. și fiecare dintre vidul tetraedrice - raza sferei R 0225 A. în care R A - din metal raza atomica. Golurile din bcc zăbrele prezentate în Fig. 3.3. În acest tip de grilaj tetraedric goluri octaedrice mai mari. Razele golurilor tetraedrice și octaedrice aici cuprind respectiv 0291 R A și R 0154 A. Vidul într-un GPU zăbrele ideale prezentat în Fig. 3.4. Dimensiunile octodrului și cavitățile tetraedrice în grila egală cu mărimea golurilor similare din fcc zăbrele. Aceasta indică o anumită afinitate atomnokristallicheskih fcc și structurile hcp.

Fig. 3.2. FCC zăbrele: cercuri deschise reprezintă centrul - octaedrală; b - cavități tetraedrice

Fig. 3.3. Lattice bcc: cercuri deschise reprezintă centrul - octaedrală; b - cavități tetraedrice

Fig. 3.4. grila GPU: cercuri deschise reprezintă centrul - octaedrală; b - cavități tetraedrice

defectelor punctuale denaturează (distorsiona) rețeaua cristalină. Acest lucru se reflectă în faptul că atomii situate în apropierea defectului, sunt deplasate de pozițiile deținute înainte de apariția acesteia. Rearanjarea atomilor din jurul defectului - relaxare atomic - are loc astfel încât să se minimizeze energia internă a cristalului. deplasările sesizabile apar, de obicei, în primele trei straturi atomice din jurul defectului, care este centrul de distorsiune. Cu alte cuvinte, se pot relaxa considerabil doar trei atomi din primele sfere de coordonare. Atomii de la cel mai apropiat strat (adică, prima sferă de coordonare) sunt deplasate spre locul de muncă și în direcția din atomii interstițiale (vezi. Fig. 3.1). Astfel, distorsiunile introduse de atomi interstițiale, considerabil mai distorsiunea introdusă de locuri de muncă, dar ele reprezintă nu mai mult de 10% din distanțele interatomice. La o distanță de distorsiunea defectelor zăbrele scad monoton. De exemplu, atomii de-a doua mișcare de coordonare sferă nu este spre locul de muncă, și de la ea. regiune a grilajului din jurul defectului, care se întinde pe mai multe straturi atomice (zone focale) extrem de distorsionat, denumit miez defect. Deoarece postul vacant tinde să se „trage“ zăbrele, este văzut în cristal ca un centru de cuprinzător (hidrostatice) se întinde. Cu alte cuvinte, un post vacant în cristal - sursa de stres punctul de tracțiune. In acest sens, este un atom interstițial centrul de compresie hidrostatice.

Posturi vacante și atomii interstitiale formați opțional simultan și în cantități egale. Există două mecanisme de bază de formare a defectelor punctuale adecvate - mecanica

Depresionară Frenkel și mecanismul Schottky. În primul caz (mecanismul Frenkel) se presupune că atomul, lăsând un nod merge interstițiu, formând astfel o pereche de defecte - (. Figura 3.5) posturile disponibile și atomii interstițiale. O pereche de defecte, a pierdut „pereche“ de conectare (de exemplu, încetează să „simtă“ reciproc în zăbrele), numit Frenkel pereche. Mecanismul Frenkel necesită costuri semnificative de energie. Aceasta costă, la început, să rupă legăturile cu „vecinii vechi“ atom din zăbrele și, în al doilea rând, pe repulsia ei „noii vecini“, adică pe distorsiunea zăbrele.

Mecanismul Frenkel domină, în special în cazul în care metalul este supus la radiații puternice. In acest caz, neutroni sau alte particule de mare energie sunt pur și simplu bat atomii din unitățile, rezultând într-o pereche formată și Frenkel - posturile vacante și atomii interstițiale în cantități egale.

Fig. 3.5. Schema de formare a defectelor punctuale:

1 - Frenkel; 2 - Schottky

Al doilea mecanism (mecanismul Schottky) necesită în mod semnificativ mai mic consum de energie. Esența mecanismului este după cum urmează. Numărul de legături atomice la atomul de pe suprafața cristalului este mai mică decât cea a atomului în volum. Strict vorbind, suprafața cristalului în sine este un defect bidimensional. Prin urmare, „de suprafață“ atomul mai ușor de „rupă“ de la vecini lor „vechi“ și apoi fie se evaporă în spațiu, fie pentru a forma noi conexiuni de a merge la stratul de adsorbție (vezi. Fig. 3.5). Formată în poziția deschisă de suprafață, cu schimb de locuri atomi adiacenți pot avansa în cristal. Crystal se dizolvă, astfel, cum ar fi nule. În plus față de suprafața exterioară a Schottky poziția sursei de cristal poate fi o discontinuitate în cristal (de exemplu, fisuri sau pori care pot fi considerate ca concentrații mari de posturi vacante). Diferența principală de mecanismul Schottky mecanismul Frenkel este formarea de doar un singur posturi vacante termice așa-numitele fără formarea de atomi interstițiale.

Pentru a înțelege motivul formării defectelor punctuale adecvate, este necesar să se aibă în vedere că ordinea ideală în cristal este posibilă numai la zero absolut (adică, la o temperatură de 0 K), atunci când „înghețate“ orice mișcarea termică a atomilor. Cu creșterea temperaturii atomii încep să facă vibrațiile termice ale rețelei cristaline în apropierea nodurilor. Aceste fluctuații, în special a electronilor de conducție împrăștiere, crescând astfel rezistivitatea electrică a metalelor (conductivitate electrică redusă). În cazul limită (aproape de temperatura de topire) Fluctuații termice atomii devin atât de intensă încât există o distrugere a cristalului.

atomii vecine în cristal nu variază în mod strict coordonate, astfel încât chiar și la o temperatură relativ scăzută, se poate întâmpla ca oricare dintre ele ajunge accidental pe „vecinii“ suficienta energie pentru a rupe legaturile atomice si formarea unui defect. Cu alte cuvinte, în cristal din timp în timp, energia (caldura) fluctuații suficient pentru a forma focare tulburare elementar - posturile disponibile și intercalat care.

Luați în considerare următoarea problemă termodinamic. Să presupunem că un cristal de metal cuprinde N noduri 0, toate nodurile sunt atomi aglomerate. Pentru atomul din stânga și unitatea sa format poziția termică, el trebuie să primească de la vecini fluctuație de unele cinetică suplimentară

energie E v f. care poate fi numită energie de formare de neocupare

acestea. Conform principiilor statisticilor Boltzmann probabilitatea de energie (căldură) Fluctuațiile magnitudinea θ este egal cu exp (-θ / kT). Prin urmare, produsul

n v = N 0 exp (- E v f / kT)

determină temperatura absolută T pentru numărul de atomi n v cu energie E v f. și anume cel mai probabil pentru o temperatură dată

numărul de unități vacante. Apoi, concentrația relativă a posturilor vacante termice vor fi egale

c v = n v / N 0 = exp (- E v f / kT).