Defekter i kristaller. Kristallen är fylld med defekter. Hur påverkar defekter styrkan hos kristaller. De sänker styrkan, hundratals, tusentals gånger. Men när deformationen av kristallen ökar, ökar också antalet defekter i den. Och eftersom defekterna interagerar med varandra, ju fler det finns, desto svårare är det för dem att röra sig i kristallen. Det visar sig vara en paradox: om det finns en defekt i kristallen deformeras och förstörs kristallen lättare än om det inte finns någon defekt. Och om det finns för många defekter, blir kristallen igen stark, och ju fler defekter, desto mer ordnad är den. Så om vi lär oss att kontrollera antalet och placeringen av defekter, kan vi kontrollera materialstyrkan.
glida 21 från presentationen "Kristall". Storleken på arkivet med presentationen är 1397 KB.Kemi årskurs 11
sammanfattning av andra presentationer"Klassificering av ämnen" - Fördela ämnena. Enkla ämnen är metaller. Guld. Zn. Svavel. Klassificering av ämnen. CO. Cl2. Metaller och icke-metaller. Eliminera ämnet som är överflödigt enligt klassificeringsegenskapen. Enkla ämnen är icke-metaller. Na2o. O2. Silver. O.S. Gabrielyan. Årskurs 11. Sortera ämnena i klasser.
"Cirkulation av element i naturen" - Denitrifierande bakterier. vegetabiliska proteiner. bakterie. Atmosfär. Blixt. Kvävets kretslopp. Stor cirkel. Förmultnande organismer. Fosfor finns i olika mineral i form av oorganiskt fosfation (PO43-). Fosfor är en del av de gener och molekyler som transporterar energi in i celler. Den dominerande formen av syre i atmosfären är O2-molekylen. Konstgjorda fosfatgödselmedel; tvättmedel. Fosfater är lösliga i vatten men inte flyktiga.
"Dispergerade systemkemi" - Dispergerat system fast - flytande. Porös choklad. brosk. Rök. Mineraler. Medium och fas är vätskor. Keramik. Syneresis bestämmer hållbarheten för mat, medicinska och kosmetiska geler. I medicin. Läsk. Dispergerat gas-vätskesystem. Smog. I livsmedelsindustrin. Skumgummi. Zoli Geli. verkliga lösningar. Polystyren. Upphängningar. Dispergerat system vätska - gas. Geler. Fasen och mediet separeras lätt genom sedimentering.
"Periodic system of chemistry" - I. Döbereiner, J. Dumas, fransk kemist A. Shancourtua, eng. kemister W. Odling, J. Mendeleev om platsen för ett element i ett system; elementets position bestäms av perioden och gruppnumren. förutsägelsen om "ecaaluminum" (den framtida Ga, upptäckt av P. Lecoq de Boisbaudran 1875), "ecabor" (Sc, upptäckt av den svenske vetenskapsmannen L. Nilsson 1879) och "ecasilience" (Ge, upptäckt av tyska vetenskapsmannen K. Winkler 1886). 1829 - "triader" Döbereiner 1850 "differentialsystem" Pettenkofer och Dumas. 1864 Meyer - en tabell som visar förhållandet mellan atomvikter för flera karakteristiska grupper av element. Newlands - förekomsten av grupper av element som liknar kemiska egenskaper. Kolchina N. 11 "A". Periodisk lag, Periodiskt system av kemiska grundämnen av D. I. Mendeleev.
"Medel för hygien och kosmetika" - Som tvättmedel. Verkan hos den andra gruppen av deodoranter är baserad på det partiella undertryckandet av svettprocesser. För artister Pulver Väteperoxid. Ordens betydelse. Kosmetiska dekorativa pulver är blandningar av flera komponenter. Kosmetika. Utförd av: Svetlana Shesterikova, elev i 11:e klass, gymnasieskola nr 186. Lite historia. jag iscensätter. Tvättmedelsfunktioner. Tvål och tvättmedel.
"Silverkemi" - Silvernitrat, eller lapis - kristaller av det rombiska systemet. Vårta efter kauterisering med silvernitrat. Silver i konst. AgNO3 är mycket lösligt. Och vilka faror är fyllda med en mystisk metall? Bildar legeringar med många metaller. De flesta silversalter är svagt lösliga i vatten, och alla lösliga föreningar är giftiga. Teknologier för att erhålla rent metalliskt silver.
glida 1
Fasta tillståndets fysik. Del 2.
Riktiga kristaller - (precis som "riktiga pojkar") är perfekta kristaller som växer på fel ställen.
glida 2
Tillväxt av kristaller Du vet förstås att vatten (under normalt tryck) fryser vid 0°. Om temperaturen sjunker, kommer vattnet exakt vid 0 ° att börja frysa, förvandlas till iskristaller. Tills allt vatten fryser, kommer dess temperatur inte att sjunka ytterligare. Om en iskristall däremot värms upp till 0° förblir den oförändrad. Så snart temperaturen når 0° kommer kristallen omedelbart att börja smälta. Oavsett hur mycket vi värmer ytterligare kommer temperaturen på isen inte att stiga förrän all is har smält. Först när hela kristallen, efter att ha smält, förvandlas till vatten (med andra ord, tills systemet med alla partiklar sönderfaller), kan vattnets temperatur börja stiga. Varje kristallint ämne smälter och kristalliserar vid en strikt definierad smältpunkt: järn - vid 1530 °, tenn - vid 232 °, kvarts - vid 1713 °, kvicksilver - vid minus 38 °. Icke-kristallina fasta ämnen har inte en konstant smältpunkt (och därmed kristallisationstemperatur), när de upphettas mjuknar de gradvis.
glida 3
Sätt att odla kristaller Ett av dem är kylning av en mättad het lösning. Vid varje temperatur kan inte mer än en viss mängd av ett ämne lösas i en given mängd lösningsmedel (till exempel i vatten). Om lösningen kyls långsamt, bildas få kärnor, och gradvis överväxande från alla sidor förvandlas de till vackra kristaller med rätt form. Med snabb kylning bildas många kärnor och partiklar från lösningen kommer att "hälla" på ytan av växande kristaller, som ärtor från en riven påse; naturligtvis kommer korrekta kristaller inte att erhållas i det här fallet, eftersom partiklarna i lösning kanske helt enkelt inte har tid att "sätta sig" på kristallens yta i deras ställe. En annan metod för att erhålla kristaller är det gradvisa avlägsnandet av vatten från en mättad lösning. Det "extra" ämnet kristalliseras. Och i det här fallet, ju långsammare vattnet avdunstar, desto bättre erhålls kristallerna.
glida 4
Den tredje metoden är tillväxten av kristaller från smälta ämnen genom att långsamt kyla vätskan. När man använder alla metoder erhålls de bästa resultaten om ett frö används - en liten kristall av rätt form, som placeras i en lösning eller smälter. På detta sätt erhålls till exempel rubinkristaller. Tillväxt av kristaller av ädelstenar sker mycket långsamt, ibland i åratal. Om emellertid för att påskynda kristallisationen, kommer istället för en kristall att visa sig en massa små. Denna metod kan endast utföras i speciella enheter. För närvarande odlas mer än hälften av de tekniskt viktiga kristallerna från smältan. En av de mest använda industriella metoderna för att erhålla halvledare och andra enkristaller är Czochralski-metoden. Designad 1918. Källmaterialet (laddning) laddas i en eldfast degel och upphettas till ett smält tillstånd. Därefter placeras frökristallen i form av en tunn stav med en diameter på flera mm i en kyld kristallhållare och nedsänks i smältan.
glida 5
Jan Czochralski (1885 - 1953) - Polsk kemist, uppfinnare av den för närvarande allmänt kända metoden att odla enkristaller från en smälta genom att dra upp dem från en fri yta, senare uppkallad efter honom. Enligt vissa uppgifter upptäckte Czochralski sin berömda metod 1916 när han av misstag tappade sin penna i en degel av smält tenn. När han drog ut pennan ur degeln fann han att en tunn tråd av stelnat tenn släpade efter metallpennan. Genom att ersätta pennspetsen med en mikroskopisk metallbit blev Czochralski övertygad om att metalltråden som sålunda bildades hade en enkristallstruktur. I experiment utförda av Czochralski erhölls enkristaller med en storlek på cirka en millimeter i diameter och upp till 150 cm i längd.
glida 6
Kristalldefekter För att beskriva strukturen hos kristaller har vi hittills använt deras idealmodeller. Skillnaden mellan riktiga kristaller och idealiska är att riktiga kristaller inte har ett vanligt kristallgitter. De innehåller alltid brott mot strikt periodicitet i arrangemanget av atomer. Dessa störningar kallas defekter i kristaller. Defekter bildas under tillväxten av kristaller under påverkan av termisk rörelse av molekyler, mekanisk påverkan, bestrålning med partikelflöden, på grund av närvaron av föroreningar etc. Kristalldefekter är någon kränkning av kristallens translationella symmetri - den ideala periodiciteten av kristallgittret. Det finns flera typer av defekter efter dimension. Det finns nämligen nolldimensionella (punkt), endimensionella (linjära), tvådimensionella (platta) och tredimensionella (volymetriska) defekter.
Bild 7
Nolldimensionella (eller punkt-) kristalldefekter inkluderar alla defekter som är associerade med förskjutning eller utbyte av en liten grupp atomer (inneboende punktdefekter), såväl som med föroreningar. De uppstår under uppvärmning, legering, i processen med kristalltillväxt och som ett resultat av strålningsexponering. Kan även göras som ett resultat av implantation. Egenskaperna hos sådana defekter och mekanismerna för deras bildande är de mest studerade, inklusive rörelse, interaktion, förintelse och förångning. Defekter, kallade punktdefekter, uppstår när en av kristallgittrets atomer ersätts med en föroreningsatom (a), införandet av en atom mellan gitternoderna (b) eller som ett resultat av bildandet av vakanser - frånvaron av en atom i en av gitternoderna (c).
Bild 8
Substitutionella föroreningar, som ersätter partiklarna av huvudämnet vid gitterställena, införs i gittret ju lättare, ju närmare atomära (joniska) radier för föroreningen och huvudämnet. Interstitiella föroreningar upptar mellanrum och dessutom, ju lättare det är, desto större är utrymmet mellan atomerna. Inbäddade kan vara både inneboende och föroreningsatomer eller joner som skiljer sig från huvudatomerna i storlek eller valens. Om en främmande atom finns på ett ställe är det en substitutionsdefekt, om den är i ett mellanrum är det en interstitiell atom. Jämviktspositionerna som upptas av interstitiella atomer beror på materialet och typen av gittret. Närliggande atomer i noderna i kristallgittret är något förskjutna, vilket orsakar en liten deformation. Vakanser är den viktigaste typen av punktdefekter; de accelererar alla processer som är förknippade med atomernas rörelse: diffusion, sintring av pulver, etc. I kommersiellt rena metaller ökar punktdefekter det elektriska motståndet, men har nästan ingen effekt på de mekaniska egenskaperna. Endast vid höga koncentrationer av defekter i bestrålade metaller minskar plasticiteten och andra egenskaper förändras märkbart.
Bild 9
Hur uppstår punktdefekter? Enligt de grundläggande principerna för statistisk fysik, även när den genomsnittliga kinetiska energin för atomer är mycket liten, kommer det alltid att finnas ett visst antal atomer med en större energi, tillräckligt för att flytta en atom ut ur en gitterplats. Att röra sig genom kristallen och ge en del av sin energi till andra atomer, kan en sådan atom finnas i mellanrummen. Kombinationen av en atom i ett mellanrum och en ledig plats kallas en Frenkel-defekt (eller ett Frenkel-par). Vakansen och den interstitiella atomen är bundna av betydande elastiska krafter.
Frenkel-defekter uppstår lätt i kristaller som innehåller betydande interatomära tomrum. Ämnen med strukturen av diamant eller stensalt kan tjäna som exempel på sådana kristaller.
Bild 10
Schottky-punktdefekter finns främst i tätpackade kristaller, där bildningen av interstitiella atomer är svår eller energetiskt ogynnsam. Vissa atomer från det ytnära lagret kan till följd av termisk rörelse lämna kristallen till ytan (Fig.). Vakansen på den lediga platsen kan sedan migrera in i huvuddelen av kristallen. Bildandet av Schottky-defekter minskar kristallens densitet, eftersom dess volym ökar med en konstant massa, medan densiteten förblir oförändrad under bildandet av Frenkel-defekter, eftersom hela kroppens volym inte förändras.
Walter Hermann Schottky (1886 - 1976) - den berömda tyska fysikern, uppfann 1915 vakuumröret med ett galler och 1919 tetroden. 1938 formulerade Schottky en teori som förutspådde Schottky-effekten, som nu används i Schottky-dioder.
glida 11
Således, som representerar en långt ifrån perfekt, ordnad och något monoton sekvens av alternerande positiva och negativa joner, innehåller riktiga kristaller ett brett spektrum av intressanta punktdefekter, som, som vi kommer att se, i hög grad kan påverka många av deras egenskaper. Som vi redan har sagt är dessa inneboende defekter, vars koncentration beror på temperatur, och dessutom icke-inneboende, föroreningsdefekter, som antingen är närvarande av en slump eller tillförs avsiktligt under kristalltillväxt. Alla dessa defekter kan betraktas som kvasipartiklar. Som riktiga partiklar i ett vakuum kan de röra sig och interagera med varandra över långa avstånd för att bilda mer komplexa strukturer.
glida 12
Transportprocesser i kristaller Det antas ofta felaktigt att vanliga alkalihalogenidföreningar som natriumklorid och kaliumklorid är isolatorer, men i själva verket är de relativt bra ledare, detta gäller särskilt vid förhöjda temperaturer. Faktumet om förekomsten av konduktivitet, liksom det faktum att både självdiffusion och diffusion av föroreningsjoner ganska lätt förekommer i joniska fasta ämnen, tjänar som obestridliga bevis på närvaron av punktdefekter i dem. Många av dessa material har inte elektronisk konduktivitet – mätningar visar att konduktiviteten beror på jonmigrering. Men utan förekomsten av vakanser eller interstitiella atomer är rörelsen av joner i en sådan klassisk jonledare omöjlig: detta skulle kräva för mycket energi. På grund av defekter och deras rörelser (Fig.) förvandlas processen för jonrörelse till ett utbyte av platser mellan jonen och defekten; medan mängden erforderlig energi minskar.
glida 13
Diffusion (latin diffusio - spridning, spridning, spridning, interaktion) är processen för ömsesidig penetration av molekyler av ett ämne mellan molekylerna i en annan, vilket leder till spontan anpassning av deras koncentrationer i hela den ockuperade volymen. I vissa situationer har ett av ämnena redan en lika stor koncentration och man talar om diffusion av ett ämne i ett annat. I detta fall sker överföringen av ett ämne från ett område med hög koncentration till ett område med låg koncentration (längs koncentrationsgradienten). I kristaller kan både inre gitteratomer (självdiffusion eller homodiffusion) och atomer av andra kemiska grundämnen lösta i ämnet (orenhet eller heterodiffusion) diffundera, liksom punktdefekter i kristallstrukturen - interstitiella atomer och vakanser.
Bild 14
Diffusion är en process på molekylär nivå och bestäms av den slumpmässiga naturen hos enskilda molekylers rörelse. Diffusionshastigheten är därför proportionell mot medelhastigheten för molekylerna. Om massan av en molekyl i en blandning av gaser är fyra gånger större än den andra, så rör sig en sådan molekyl dubbelt så långsamt jämfört med dess rörelse i en ren gas. Följaktligen är dess diffusionshastighet också lägre. Denna skillnad i diffusionshastigheter mellan lätta och tunga molekyler används för att separera ämnen med olika molekylvikter. Ett exempel är separationen av isotoper. Om en gas som innehåller två isotoper leds genom ett poröst membran, penetrerar de lättare isotoper membranet snabbare än de tyngre. För bättre separation utförs processen i flera steg. Denna process har använts i stor utsträckning för att separera uranisotoper (separation av 235U från huvuddelen av 238U). (För närvarande används centrifugeringsmetoden för att separera isotoper av uran, där en gas som innehåller uran roteras mycket snabbt och, på grund av skillnaden i molekylernas massa, separeras isotoperna, som sedan överförs tillbaka till metall.)
glida 15
Diffusion lyder fenomenologiskt sett Ficks lagar. Ficks första lag fastställer proportionaliteten av diffusionsflödet av partiklar till gradienten av deras koncentration; Ficks 2:a lag beskriver förändringen i koncentrationen på grund av diffusion. Diffusionsfenomenet studerades först av Wurzburg-forskaren A. Fick med hjälp av saltlösningar som exempel. Fick, genom noggrann forskning, visade att den fria diffusionen av saltlösningar sker enligt lagar som är helt analoga med lagarna för värmeutbredning i fasta ämnen.
glida 16
Diffusion i kristaller Vissa allmänna kristallografiska egenskaper hos diffusionsprocessen är ganska uppenbara om vi tar hänsyn till kristallens geometri. Först och främst sker diffusion nästan alltid gradvis, och längden på de elementära "stegen" är i storleksordningen en atomdiameter, det vill säga flera ångström. Atomer rör sig genom att hoppa från en position i gittret till en annan. Sammanfattningsvis säkerställer dessa elementära hopp förflyttning av atomer över långa avstånd. Låt oss ta reda på vad som är mekanismen för individuella atomhopp. Det finns flera möjliga scheman: förflyttning av vakanser, förflyttning av interstitiella atomer, eller något slags ömsesidigt utbyte av platser mellan atomer (Fig.).
Atomförskjutningar som leder till diffusion: a – förflyttning av vakanser; b – rörelse av interstitiella atomer; c – utbyte av platser för två atomer; d - ringbyte av platser med fyra atomer
Bild 17
Baserat på begreppet punktdefekter i kristaller föreslog Frenkel två huvudsakliga diffusionsmekanismer i fasta ämnen: vakans (Fig. a: en atom rör sig, byter plats med en vakans) och interstitiell (Fig. b: en atom rör sig längs mellanrummen). Små (i storlek) föroreningsatomer rör sig på det andra sättet, och alla andra på det första sättet: detta är den vanligaste diffusionsmekanismen.
Yakov Ilyich Frenkel (1894 - 1952) - sovjetisk vetenskapsman, teoretisk fysiker, en av grundarna av fasta tillståndets fysik. Från 1921 till slutet av sitt liv arbetade Frenkel vid Leningrad Institute of Physics and Technology. Med början 1922 publicerade Frenkel en ny bok bokstavligen varje år. Han blev författare till den första kursen i teoretisk fysik i Sovjetunionen.
Bild 18
Dislokationer En dislokation är en linjär defekt i kristallgittret hos ett fast ämne, vilket är närvaron av ett "extra" atomärt halvplan. Den enklaste visuella modellen av en kantförskjutning är en bok med en del avriven från en av de inre sidorna. Sedan, om sidorna i boken liknas vid atomplan, så modellerar kanten på den avrivna delen av sidan dislokationslinjen. Man skiljer på skruv- och kantdislokationer.
Bild 19
För att en dislokation ska bildas i en ideal kristall är det nödvändigt att åstadkomma en förskjutning i någon del av glidplanet
Dislokationsdensiteten varierar över ett brett område och beror på materialets tillstånd. Efter noggrann glödgning är dislokationsdensiteten låg, i kristaller med kraftigt deformerat kristallgitter når dislokationsdensiteten mycket höga värden.
Bild 20
Dislokationsdensiteten bestämmer till stor del materialets plasticitet och styrka. Om densiteten är mindre än ett visst värde, ökar motståndet mot deformation kraftigt, och styrkan närmar sig den teoretiska. Således uppnås en ökning av styrkan genom att skapa en metall med en defektfri struktur, och å andra sidan genom att öka tätheten av dislokationer, vilket hindrar deras rörelse.
glida 21
Under plastisk deformation rör sig en del av kristallen i förhållande till den andra under inverkan av skjuvspänningar. När lasterna tas bort kvarstår skiftet, d.v.s. plastisk deformation uppstår. Appliceringen av en skjuvspänning leder till förskjutning av en kantförskjutning, och förskjutningen av dess axel med en förskjutning innebär en förändring i halvplanet som för närvarande bildar förskjutningen. Rörelsen av en kantdislokation genom hela kristallen kommer att leda till en förskjutning av en del av kristallen med ett interatomärt avstånd. Resultatet av detta är den plastiska deformationen av kristallen (fig.), d.v.s. delarna av kristallen förskjuts i förhållande till varandra med en translation.
En metall i stressat tillstånd, under alla typer av belastning, upplever alltid normala och tangentiella spänningar. Tillväxten av normal- och skjuvspänningar leder till olika konsekvenser. Tillväxten av normala spänningar leder till spröd fraktur. Plastisk deformation orsakas av tangentiella spänningar.
glida 22
En ökning av styrkan uppnås genom att skapa en metall med en defektfri struktur, såväl som genom att öka tätheten av dislokationer, vilket hindrar deras rörelse. För närvarande har det skapats kristaller utan defekter - morrhår upp till 2 mm långa, 0,5 ... 20 μm tjocka - "morrhår" med en styrka nära teoretisk. Dislokationer påverkar inte bara styrka och plasticitet, utan också andra egenskaper hos kristaller. Med en ökning av tätheten av dislokationer förändras deras optiska egenskaper, och metallens elektriska motstånd ökar. Dislokationer ökar den genomsnittliga diffusionshastigheten i kristallen, accelererar åldrande och andra processer, minskar kemisk resistens, därför, som ett resultat av att behandla kristallytan med speciella ämnen, bildas gropar vid utgångspunkterna för dislokationer.
glida 23
Epitaxi är en regelbunden tillväxt av ett kristallint material på ett annat (från grekiskans επι - på och ταξισ - ordningen), d.v.s. den orienterade tillväxten av en kristall på ytan av en annan (substrat). Minimienergin förbrukas om kristallen växer längs en skruvdislokation.
glida 24
Tack för din uppmärksamhet!
Defekter i den kristallina strukturen Verkliga metaller som används som strukturella
material, består av ett stort antal kristaller med oregelbunden form. Dessa
kristaller
kallad
korn
eller
kristaller,
a
strukturera
polykristallin eller granulär. Befintlig produktionsteknik
metaller tillåter därför inte att erhålla sin ideala kemiska renhet
riktiga metaller innehåller föroreningsatomer. Orenhetsatomer är
en av huvudkällorna till defekter i kristallstrukturen. PÅ
Beroende på den kemiska renheten delas metaller in i tre grupper:
kemiskt ren - innehåll 99,9%;
hög renhet - innehåll 99,99%;
ultrapure - innehåll 99,999%.
Atomerna av eventuella föroreningar i sin storlek och struktur skarpt
skiljer sig från atomerna i huvudkomponenten, så kraftfältet runt
sådana atomer är förvrängda. En elastisk zon uppstår runt eventuella defekter.
distorsion av kristallgittret, som balanseras av volym
kristall intill en defekt i kristallstrukturen.
gemensamt för alla metaller. Dessa kränkningar av den ideala strukturen av fasta ämnen
har en betydande inverkan på deras fysiska, kemiska,
tekniska och operativa egenskaper. Utan användning
av idéer om defekter i riktiga kristaller är det omöjligt att studera fenomenen
plastisk deformation, härdning och brott av legeringar etc. Defekter
kristallstrukturen klassificeras bekvämt efter deras geometriska
form och storlek:
yta (tvådimensionella) är små i endast en riktning och har
en platt form - dessa är gränserna för korn, block och tvillingar, gränserna för domäner;
punkt (nolldimensionell) är små i alla tre dimensionerna, deras storlekar är det inte
mer än ett fåtal atomdiametrar - dessa är vakanser, interstitiella atomer,
föroreningsatomer;
linjära (endimensionella) är små i två riktningar, och i den tredje
riktning, de är i proportion till kristallens längd - dessa är dislokationer, kedjor
vakanser och interstitiella atomer;
volumetriska (tredimensionella) har i alla tre dimensioner relativt
stora storlekar är stora inhomogeniteter, porer, sprickor, etc.; Ytdefekter är gränssnitt
mellan enskilda korn eller underkorn i en polykristallin metall, till
det inkluderar även "packningsdefekter" i kristaller.
En korngräns är en yta på vardera sidan om vilken
kristallgitter skiljer sig åt i rumslig orientering. Detta
Ytan är en tvådimensionell defekt med betydande dimensioner i
två dimensioner, och i den tredje - dess storlek är i proportion till atomen. korngränser
är områden med hög dislokationstäthet och inkonsekvens
strukturer av intilliggande kristaller. Atomer vid korngränsen har en ökning
energi jämfört med atomerna inuti kornen och, som en konsekvens, mer
tenderar att engagera sig i olika interaktioner och reaktioner. Vid korngränserna
det finns inget ordnat arrangemang av atomer. Vid korngränserna i processen för metallkristallisation ackumuleras
olika föroreningar, defekter, icke-metalliska inneslutningar,
oxidfilmer. Som ett resultat bryts den metalliska bindningen mellan kornen.
och metallens hållfasthet minskar. Som ett resultat av gränsens störda struktur
försvaga eller stärka metallen, vilket leder till respektive
intergranulär (intergranulär) eller transkristallin (längs kornkroppen)
förstörelse. Under inverkan av höga temperaturer tenderar metallen att minska
ytenergi av korngränser på grund av korntillväxt och sammandragning
omfattningen av deras gränser. Under den kemiska verkan av korngränsen
är mer aktiva och, som ett resultat, korrosionsskador
börjar längs korngränserna (denna funktion ligger till grund för mikroanalysen
metaller vid tillverkning av tunna sektioner).
Det finns en annan källa till ytförvrängning av det kristallina
metallstrukturer. Metallkorn är ömsesidigt felorienterade av flera
grader, fragmenten desorienteras av minuter, och blocken som utgör
fragment är ömsesidigt desorienterade under bara några sekunder. Om en
betrakta kornet vid hög förstoring, visar det sig att inuti det
det finns områden som är felorienterade i förhållande till varandra i en vinkel på 15 "...30".
En sådan struktur kallas block eller mosaik, och områden kallas block.
mosaiker. Egenskaperna hos metaller kommer att bero både på storleken på block och korn, och
och från deras ömsesidiga inriktning. Orienterade block kombineras till större fragment i
vilken den allmänna orienteringen förblir godtycklig, alltså alla korn
desorienterade i förhållande till varandra. Med stigande temperatur
korns felorientering ökar. Termisk process som orsakar korndelning
till fragment kallas polygonisering.
Skillnaden i egenskaper beroende på riktningen i metaller är
namnet är anisotropi. Anisotropi är karakteristisk för alla ämnen med
kristallin struktur. Kornen är därför ordnade slumpmässigt i volymen
det finns ungefär lika många atomer i olika riktningar och
egenskaper förblir desamma, detta fenomen kallas kvasi-anisotropi
(falskt - anisotropi). Punktdefekter är små i tre dimensioner och storlekar
närmar sig punkten. En av de vanligaste defekterna är
lediga platser, d. v. s. en plats som inte är upptagen av en atom (Schottky-defekt). I stället för en ledig
nod, en ny atom kan röra sig och en ledig plats - ett "hål" bildas längs
grannskap. När temperaturen stiger ökar koncentrationen av vakanser. Så
som atomer. ligger nära ytan. kan komma upp till ytan
kristall. och atomer kommer att ta deras plats. längre från ytan.
Närvaron av vakanser i gittret ger rörlighet till atomerna. de där. tillåter dem
röra sig i processen av självdiffusion och diffusion. och ger därmed
påverkan på sådana processer som åldrande, separation av sekundära faser, etc.
Andra punktdefekter är dislokerade atomer
(Frenkel-defekt), d.v.s. självmetallatomer som kommer från en nod
galler och äger rum någonstans i mellanrummen. Samtidigt på plats
flyttar atom bildas en vakans. Koncentrationen av sådana defekter
små. därför att deras bildning kräver en betydande energiförbrukning. I vilken metall som helst finns det främmande atomer av föroreningar. PÅ
Beroende på arten av föroreningar och villkoren för deras inträde i metallen kan de
vara lösta i metallen eller vara i form av separata inneslutningar. På
metallegenskaper påverkas mest av främmande upplösta
föroreningar, vars atomer kan finnas i hålrummen mellan atomerna
basmetall - interstitiella atomer eller vid noderna av kristallgittret
basmetall - substitutionsatomer. Om föroreningsatomerna är signifikant
färre atomer av basmetallen, då bildar de interstitiella lösningar, och om
mer - sedan bilda ersättningslösningar. I båda fallen blir gallret
defekt och dess förvrängning påverkar metallens egenskaper. Linjära defekter är små i två dimensioner, i den tredje kan de
nå längden av kristallen (korn). Linjära defekter inkluderar kedjor
lediga platser. interstitiell atomer och dislokationer. Dislokationer är speciella
typ av brister i kristallgittret. Ur synvinkeln av teorin om dislokationer
hållfasthet, fas och strukturella transformationer beaktas. förskjutning
kallas en linjär imperfektion som bildar en zon inuti kristallen
flytta. Dislokationsteorin tillämpades först i mitten av trettiotalet
av 1900-talet av fysikerna Orovan, Polyani och Taylor för att beskriva processen
plastisk deformation av kristallina kroppar. Dess användning tillåten
förklara vilken typ av hållfasthet och duktilitet metaller har. Teorin om dislokationer gav
möjlighet att förklara den enorma skillnaden mellan teoretiskt och praktiskt
metallernas styrka.
Huvudtyperna av dislokationer är kant och skruv. Regional
En dislokation bildas om en extra laddning uppstår inuti kristallen.
halvplan av atomer, som kallas extraplanet. Hennes kant är 1-1
skapar en linjär gitterdefekt som kallas kantdislokation.
Det antas konventionellt att en dislokation är positiv om den är i den övre
del av kristallen och indikeras med tecknet ” ”, om dislokationen är i den nedre delen
delar - negativ "T". Dislokationer av samma tecken stöter bort, och
motsatsen - attraheras. Stressad kant
dislokationen kan röra sig längs kristallen (längs skjuvplanet) tills
når korn(block)gränsen. I detta fall bildas ett steg med värdet på
ett interatomiskt avstånd. Plastskjuvning är en konsekvens
gradvis förskjutning av dislokationer i planet
flytta. Utbredning av glid längs ett plan
glidning sker sekventiellt. Varje
elementär handling att flytta en dislokation från
en position till en annan uppnås genom
bristning av endast en vertikal atom
flygplan. För att flytta dislokationer behöver du
mycket mindre ansträngning än för stel
förskjutning av en del av kristallen i förhållande till en annan i skjuvplanet. På
dislokationsrörelse längs skjuvriktningen genom hela kristallen
det finns en förskjutning av dess övre och nedre delar med endast en interatomisk
distans. Som ett resultat av förskjutning kommer dislokationen till ytan
kristall och försvinner. Ett glidande steg finns kvar på ytan. Skruvdislokation. Den bildas av en ofullständig skjuvning av en kristall längs
densitet Q. I motsats till en kantförskjutning, en skruvförskjutning
parallellt med skiftvektorn.
Dislokationer bildas under kristallisation av metaller under
''kollaps'' av en grupp av lediga platser, såväl som i processen med plastisk deformation
och fastransformationer. En viktig egenskap hos dislokationsstrukturen
är dislokationstätheten. Dislokationstätheten förstås som
den totala längden av dislokationer l (se), per volymenhet V
kristall (cm3). På det här sättet. dimension av dislokationsdensitet, cm-2. På
glödgade metaller - 106...108 cm-2. Med kall plast
deformation ökar dislokationsdensiteten till 1011...1012 cm-2. Mer
hög dislokationstäthet leder till uppkomsten av mikrosprickor och
metallförstöring.
Nära dislokationslinjen förskjuts atomerna från
deras platser och kristallgittret är förvrängt, vilket
orsakar bildandet av ett stressfält (ovanför linjen
dislokationer, gallret komprimeras och under det sträcks).
Värdet av en enda förskjutning av planen
kännetecknas av Burgers vektor b, som
speglar både det absoluta värdet av skiftet och dess
riktning. blandad utbyggnad. Dislokation kan inte sluta inuti
kristall utan att ansluta till en annan dislokation. Detta följer av det faktum att
dislokationen är gränsen för skjuvzonen, och skjuvzonen är alltid där
stängd linje, och en del av denna linje kan passera längs den yttre
kristallyta. Därför måste dislokationslinjen stängas
inuti kristallen eller sluta på dess yta.
När gränsen för skjuvzonen (dislokationslinje abcdf) bildas
raka sektioner parallella och vinkelräta mot skjuvvektorn, och
ett mer allmänt fall av en kurvlinjär dislokationslinje gh. På avsnitten ab, cd och
ef är en kantdislokation; Separat
sektioner av den kurvlinjära dislokationslinjen har kant eller spiralformad
orientering, men en del av denna kurva är varken vinkelrät eller parallell
skjuvvektor, och i dessa områden finns en dislokation av blandad
orientering. Plastisk deformation av kristallina kroppar är relaterad till mängden
dislokationer, deras bredd, rörlighet, grad av interaktion med defekter
gitter etc. Bindningens natur mellan atomer påverkar plasticiteten
kristaller. Så, i icke-metaller med sina stela riktningsbindningar
dislokationer är mycket smala, de kräver höga spänningar för att starta - i 103
gånger större än för metaller. Som ett resultat, spröd fraktur i icke-metaller
kommer före skiftet.
Den främsta orsaken till den låga hållfastheten hos riktiga metaller är
närvaron av dislokationer och andra brister i materialets struktur
kristallin struktur. Erhålla dislokationsfria kristaller
leder till en kraftig ökning av materialstyrkan.
Den vänstra grenen av kurvan motsvarar skapandet
engagerad
dislokationsfri
filiform
kristaller (de så kallade "whiskers"), styrka
vilket ligger nära teoretiskt. Med begränsad
dislokationsdensitet och andra förvrängningar
kristallin
galler
bearbeta
klippa
ju lättare det är, desto fler dislokationer
är i huvuddelen av metallen. En av egenskaperna hos en dislokation är förskjutningsvektorn - vektorn
Hamburgare. Burgers-vektorn är en ytterligare vektor som måste vara
gå in i konturen som beskrivs runt dislokationen för att stänga
konturen som motsvarar den i gittret av en ideal kristall, öppen
på grund av luxation. Konturen tecknad längs gallret runt platsen, in
där det finns en dislokation kommer att visa sig vara icke-stängd (Burgers kontur). Glipa
kontur kännetecknar summan av alla elastiska gitterförskjutningar ackumulerade i
området runt dislokationen är Burgers-vektorn.
För en kantdislokation är Burgers-vektorn vinkelrät, medan för en skruv
dislokationer - parallellt med dislokationslinjen. Burgers vektorn är måttet
distorsion av kristallgittret på grund av närvaron i det
dislokationer. Om en dislokation införs i en kristall genom en ren skjuvning, då vektorn
shift och är Burgers-vektorn. Burgers kontur kan ändras
längs dislokationslinjen, sträckt eller hoptryckt i en riktning vinkelrät mot
dislokationslinjer, medan storleken och riktningen för Burgers-vektorn
förbli konstant. Med ökande påfrestningar kommer antalet dislokationskällor in
metall och deras densitet ökar. Förutom parallella dislokationer
dislokationer uppträder i olika plan och riktningar. Platser
påverka varandra, hindra varandra från att blandas, de förekommer
förintelse (ömsesidig förstörelse) etc. (vilket möjliggjorde J. Gordon bildligt talat
kallar deras interaktion i processen med plastisk deformation "intim
liv av dislokationer"). När tätheten av dislokationer ökar, kommer deras rörelse
blir allt svårare, vilket kräver en ökning av det tillämpade
belastning för att fortsätta deformationen. Som ett resultat härdas metallen, vilket
motsvarar den högra grenen av kurvan.
Dislokationer, tillsammans med andra defekter, deltar i fas
transformationer, omkristallisation, fungerar som färdiga centra under utfällning
den andra fasen från en fast lösning. Längs dislokationer är diffusionshastigheten
flera storleksordningar högre än genom ett kristallgitter utan defekter.
Dislokationer fungerar som en plats för koncentration av föroreningsatomer, i synnerhet
interstitiell förorening, eftersom detta minskar gitterdistorsion. Om under påverkan av yttre krafter uppstår dislokationer i metallen,
då förändras metallens elastiska egenskaper och påverkan börjar påverka
tecknet på den initiala deformationen. Om metallen utsätts för en svag
plastisk deformation av en belastning av samma tecken, sedan när tecknet ändras
belastning, en minskning av motståndet mot initial plast
deformationer (Bauschingereffekt).
De dislokationer som har uppstått under den primära deformationen orsakar
utseendet i metallen av kvarvarande spänningar, som, lägga upp med
driftspänningar när tecknet på belastningen ändras, orsaka en minskning
sträckgräns. Med en ökning av de initiala plastiska deformationerna
mängden minskning av mekaniska egenskaper ökar.
Effekt
Bauschinger
klart
visas
på
obetydlig
primär
arbetshärdning.
Kort
semester
nitade
material
eliminerar alla manifestationer
Bauschingereffekten. Effekt
avsevärt försvagats av
flera olika
cyklisk
läser in
material
Med
förekomsten av liten plast
deformationer av olika tecken. Alla de angivna defekterna i kristallstrukturen leder till
uppkomsten av inre spänningar. Med volym, där de
är balanserade särskiljande spänningar av I, II och III slag.
Inre spänningar av det första slaget är zonspänningar,
som uppstår mellan enskilda delar av sektionen eller mellan enskilda
delar av en detalj. Dessa inkluderar termiska spänningar som uppstår
under accelererad uppvärmning och kylning under svetsning, värmebehandling.
Inre spänningar av det andra slaget - uppstår inuti ådring eller mellan
angränsande korn beror på metallens dislokationsstruktur.
Inre spänningar av III-slaget - uppstår inuti orderns volym
flera elementära celler; punktkällor är huvudkällan
defekter.
Inre restspänningar är farliga pga
lägga till de faktiska driftspänningarna och kan leda till
för tidigt fel i strukturen.
Defekter i kristaller
Varje riktig kristall har inte en perfekt struktur och har ett antal brott mot det ideala rumsliga gittret, som kallas defekter i kristaller.
Defekter i kristaller delas in i nolldimensionella, endimensionella och tvådimensionella. Nolldimensionella (punkt)defekter kan delas in i energi, elektronisk och atomär.
De vanligaste är energidefekter - fononer - tillfälliga förvrängningar av kristallgittrets regelbundenhet orsakade av termisk rörelse. Kristallers energidefekter inkluderar också tillfälliga gallerdefekter (exciterade tillstånd) orsakade av exponering för olika strålningar: ljus, röntgen eller y-strålning, α-strålning, neutronflöde.
Elektroniska defekter inkluderar överskott av elektroner, brist på elektroner (ofyllda valensbindningar i en kristall - hål) och excitoner. De senare är pardefekter som består av en elektron och ett hål, som är kopplade av Coulomb-krafter.
Atomdefekter visar sig i form av lediga platser (Schottky-defekter, fig. 1.37), i form av förskjutning av en atom från en plats till ett mellanrum (Frenkel-defekter, fig. 1.38), i form av en insättning av en främmande atom eller jon in i gittret (Fig. 1.39). I jonkristaller, för att bibehålla kristallens elektriska neutralitet, måste koncentrationerna av Schottky- och Frenkel-defekter vara desamma för både katjoner och anjoner.
Linjära (endimensionella) defekter i kristallgittret inkluderar dislokationer (översatt till ryska betyder ordet "dislokation" "förskjutning"). De enklaste typerna av dislokationer är kant- och skruvdislokationer. Deras karaktär kan bedömas från Fig. 1,40-1,42.
På fig. 1.40, a visar strukturen av en ideal kristall i form av en familj av atomplan parallella med varandra. Om ett av dessa plan bryter av inuti kristallen (fig. 1.40, b), bildar platsen för dess brott en kantdislokation. I fallet med en skruvdislokation (fig. 1.40, c) är karaktären av förskjutningen av atomplan annorlunda. Det finns inget brott inuti kristallen i något av atomplanen, men själva atomplanen är ett system som liknar en spiraltrappa. I huvudsak är detta ett atomplan vridet längs en helix. Om vi går runt detta plan runt skruvförskjutningens axel (streckad linje i fig. 1.40, c), så kommer vi med varje varv att stiga eller falla med en skruvstigning lika med det interplanära avståndet.
En detaljerad studie av strukturen hos kristaller (med hjälp av ett elektronmikroskop och andra metoder) visade att en enda kristall består av ett stort antal små block, något desorienterade i förhållande till varandra. Det rumsliga gittret inuti varje block kan anses vara ganska perfekt, men dimensionerna för dessa regioner av ideal ordning inuti kristallen är mycket små: man tror att de linjära dimensionerna av blocken ligger i intervallet från 10-6 till 10-4 centimeter.
Vilken speciell dislokation som helst kan representeras som en kombination av kant- och skruvdislokationer.
Tvådimensionella (plana) defekter inkluderar gränser mellan kristallkorn och rader av linjära dislokationer. Själva kristallytan kan också betraktas som en tvådimensionell defekt.
Punktdefekter som lediga platser finns i varje kristall, oavsett hur noggrant den odlas. Dessutom, i en riktig kristall, uppstår vakanser ständigt och försvinner under inverkan av termiska fluktuationer. Enligt Boltzmann-formeln bestäms jämviktskoncentrationen av vakanser pv i en kristall vid en given temperatur (T) enligt följande:
där n är antalet atomer per volymenhet av kristallen, e är basen för naturliga logaritmer, k är Boltzmann-konstanten, Ev är energin för vakansbildning.
För de flesta kristaller är vakansbildningsenergin ungefär lika med 1 eV, vid rumstemperatur kT » 0,025 eV,
Följaktligen,
När temperaturen stiger, växer den relativa koncentrationen av vakanser ganska snabbt: vid T = 600°K når den 10–5 och vid 900°K–10–2.
Liknande överväganden kan göras angående koncentrationen av defekter enligt Frenkel, med hänsyn till att energin för bildandet av implantat är mycket högre (i storleksordningen 3–5 eV).
Även om den relativa koncentrationen av atomdefekter kan vara liten, kan förändringarna i kristallens fysikaliska egenskaper som orsakas av dem vara enorma. Atomdefekter kan påverka de mekaniska, elektriska, magnetiska och optiska egenskaperna hos kristaller. Som en illustration ska vi bara ge ett exempel: tusendelar av en atomprocent av vissa föroreningar i rena halvledarkristaller ändrar sitt elektriska motstånd med 105-106 gånger.
Dislokationer, som är förlängda defekter av en kristall, täcker med sitt elastiska fält av ett förvrängt gitter ett mycket större antal noder än atomära defekter. Dislokationskärnan är endast ett fåtal gitterperioder, medan dess längd når många tusen perioder. Energin för dislokationer uppskattas vara i storleksordningen 4 10 -19 J per 1 m dislokationslängd. Dislokationsenergin beräknad för ett interatomärt avstånd längs dislokationslängden för olika kristaller ligger i intervallet från 3 till 30 eV. En sådan stor energi som krävs för att skapa dislokationer är anledningen till att deras antal är praktiskt taget oberoende av temperaturen (dislokationsatermicitet). Till skillnad från lediga platser [jfr. formel (1.1), är sannolikheten för uppkomsten av dislokationer på grund av fluktuationer i termisk rörelse försvinnande liten för hela temperaturområdet där det kristallina tillståndet är möjligt.
Den viktigaste egenskapen hos dislokationer är deras lätta rörlighet och aktiva interaktion med varandra och med alla andra gallerdefekter. Utan att beakta mekanismen för dislokationsrörelse, påpekar vi att för att orsaka dislokationsrörelse är det tillräckligt att skapa en liten skjuvspänning i storleksordningen 0,1 kg/mm2 i kristallen. Redan under påverkan av en sådan stress kommer dislokationen att röra sig i kristallen tills den möter något hinder, som kan vara en korngräns, en annan dislokation, en interstitiell atom etc. När den stöter på ett hinder böjer sig dislokationen, går runt hindret, som bildar en expanderande dislokationsslinga, som sedan lossar och bildar en separat dislokationsslinga, och i området för en separat expanderande slinga finns kvar ett segment av en linjär dislokation (mellan två hinder), som under inverkan av en tillräcklig extern stress, kommer igen att böjas, och hela processen kommer att upprepas igen. Således kan man se att samspelet mellan rörliga dislokationer och hinder leder till en ökning av antalet dislokationer (deras multiplikation).
I odeformerade metallkristaller passerar 106-108 dislokationer genom ett område på 1 cm2; under plastisk deformation ökar dislokationstätheten med tusentals, och ibland miljontals gånger.
Låt oss överväga effekten av kristalldefekter på dess styrka.
Styrkan hos en ideal kristall kan beräknas som den kraft som krävs för att slita av atomer (joner, molekyler) från varandra, eller för att flytta dem, övervinna krafterna från interatomisk vidhäftning, d.v.s. den ideala styrkan för en kristall bör bestämmas av produkten av storleken på krafterna för interatomisk bindning med antalet atomer per ytenhet av motsvarande tvärsnitt av kristallen. Skjuvhållfastheten för riktiga kristaller är vanligtvis tre till fyra storleksordningar lägre än den beräknade ideala styrkan. En så stor minskning av kristallens styrka kan inte förklaras av en minskning av provets arbetstvärsnittsarea på grund av porer, håligheter och mikrosprickor, eftersom om styrkan försvagas med en faktor på 1000, hålrum bör uppta 99,9% av kristallens tvärsnittsarea.
Å andra sidan är styrkan hos enkristallprover, i vars hela volym ungefär samma orientering av de kristallografiska axlarna bevaras, betydligt lägre än hållfastheten hos ett polykristallint material. Det är också känt att i ett antal fall har kristaller med ett stort antal defekter högre styrka än kristaller med ett mindre antal defekter. Stål, till exempel, som är järn "bortskämt" av kolföroreningar och andra tillsatser, har betydligt högre mekaniska egenskaper än rent järn.
Ofullkomlighet av kristaller
Hittills har vi ansett idealiska kristaller. Detta gjorde det möjligt för oss att förklara ett antal egenskaper hos kristaller. Faktum är att kristaller inte är perfekta. De kan innehålla ett stort antal olika defekter. Vissa egenskaper hos kristaller, i synnerhet elektriska och andra, beror också på graden av perfektion hos dessa kristaller. Sådana egenskaper kallas strukturellt känsliga egenskaper. Det finns fyra huvudtyper av brister i en kristall och ett antal icke-grundläggande.
De huvudsakliga bristerna inkluderar:
1) punktdefekter. De inkluderar tomma platser i gittret (vakanser), extra interstitiella atomer och föroreningsdefekter (substitutionella och interstitiella orenheter).
2) Linjära defekter.(luxationer).
3) flygplansdefekter. De inkluderar: ytor av alla typer av andra inneslutningar, sprickor, yttre yta.
4) Volymdefekter. De inkluderar själva inneslutningarna, främmande föroreningar.
Icke-stora brister inkluderar:
1) Elektroner och hål är elektroniska defekter.
2) Fononer, fotoner och andra kvasipartiklar som finns i en kristall under en begränsad tid
Elektroner och hål
Faktum är att de inte påverkade energispektrumet för kristallen i det oexciterade tillståndet. Men under verkliga förhållanden, vid T¹0 (absolut temperatur), kan elektroner och hål exciteras i själva gittret, å ena sidan, och å andra sidan kan de injiceras (införas) i det från utsidan. Sådana elektroner och hål kan å ena sidan leda till deformation av själva gittret, och å andra sidan, på grund av interaktion med andra defekter, störa kristallens energispektrum.
Fotoner
De kan inte betraktas som verklig ofullkomlighet. Även om fotoner har en viss energi och rörelsemängd, om denna energi inte räcker för att generera elektron-hål-par, kommer i detta fall kristallen att vara transparent för fotonen, det vill säga att den fritt kommer att passera genom den utan att interagera med materialet. Den ingår i klassificeringen eftersom de kan påverka kristallens energispektrum genom interaktion med andra ofullkomligheter, särskilt med elektroner och hål.
Punktfel (defekt)
Vid T¹0 kan det visa sig att energin hos partiklarna vid noderna i kristallgittret kommer att vara tillräcklig för att överföra partikeln från en nod till en interstitial. Vid vad varje specifik temperatur kommer att motsvara sin egen specifika koncentration av sådana punktdefekter. En del av defekterna kommer att bildas på grund av överföringen av partiklar från noder till mellanrum, och några av dem kommer att rekombinera (minska i koncentration) på grund av övergången från mellanrum till noder. På grund av lika flöden kommer varje temperatur att ha sin egen koncentration av punktdefekter. En sådan defekt, som är en kombination av en interstitiell atom och den återstående fria platsen), cancia) är en Frenkel-defekt. En partikel från det ytnära lagret, på grund av temperatur, kan nå ytan), ytan är en ändlös sänka av dessa partiklar). Sedan bildas en ledig plats (vakans) i det ytnära lagret. Denna fria plats kan upptas av en djupare atom, vilket motsvarar förflyttningen av lediga platser djupt in i kristallen. Sådana defekter kallas Schottky-defekter. Man kan föreställa sig följande defektbildningsmekanism. Partikeln rör sig från ytan in i kristallens djup och extra interstitiella atomer utan vakanser uppstår i kristallens tjocklek. Sådana defekter kallas anti-skotska defekter.
Bildande av punktdefekter
Det finns tre huvudmekanismer för bildandet av punktdefekter i en kristall.
härdning. Kristallen värms upp till en signifikant temperatur (förhöjd), medan varje temperatur motsvarar en väldefinierad koncentration av punktdefekter (jämviktskoncentration). Vid varje temperatur etableras en jämviktskoncentration av punktdefekter. Ju högre temperatur, desto högre koncentration av punktdefekter. Om det sålunda uppvärmda materialet kyls abrupt, kommer i detta fall detta överskott av punktdefekter att visa sig vara fruset, vilket inte motsvarar denna låga temperatur. Således erhålls ett överskott med avseende på jämviktskoncentrationen av punktdefekter.
Påverkan på kristallen av yttre krafter (fält). I detta fall tillförs kristallen tillräcklig energi för bildandet av punktdefekter.
Bestrålning av en kristall med högenergipartiklar. Tre huvudeffekter är möjliga på grund av extern bestrålning i en kristall:
1) Elastisk interaktion av partiklar med ett gitter.
2) Oelastisk interaktion (jonisering av elektroner i gittret) av partiklar med gittret.
3) Alla möjliga nukleära transmutationer (transformationer).
I den 2:a och 3:e effekten är den första effekten alltid närvarande. Dessa elastiska interaktioner har en dubbel effekt: å ena sidan manifesterar de sig i form av elastiska gittervibrationer, vilket leder till bildandet av strukturella defekter, å andra sidan. I detta fall måste energin för den infallande strålningen överskrida tröskelenergin för bildandet av strukturella defekter. Denna tröskelenergi är vanligtvis 2–3 gånger högre än den energi som krävs för bildandet av en sådan strukturell defekt under adiabatiska förhållanden. Under adiabatiska förhållanden för kisel (Si) är den adiabatiska bildningsenergin 10 eV, tröskelenergin är 25 eV. För bildandet av en vakans i kisel är det nödvändigt att energin för den externa strålningen är minst mer än 25 eV, och inte 10 eV som för den adiabatiska processen. Det är möjligt att vid betydande energier av den infallande strålningen leder en partikel (1 kvant) till bildandet av inte en, utan flera defekter. Processen kan vara kaskad.
Punktdefektkoncentration
Låt oss hitta koncentrationen av defekter enligt Frenkel.
Låt oss anta att det finns N partiklar vid noderna av kristallgittret. Av dessa flyttade n partiklar från noder till internod. Låt Fresnel-defektbildningsenergin vara Eph. Då kommer sannolikheten att ytterligare en partikel kommer att flytta från en nod till en internod vara proportionell mot antalet partiklar som fortfarande sitter i noderna (N-n), och mot Boltzmann-faktorn, det vill säga ~. Och det totala antalet partiklar som passerade från noderna till internoden ~. Låt oss hitta antalet partiklar som passerar från mellanrum till noder (rekombinerar). Detta antal är proportionellt mot n, och är proportionellt mot antalet lediga platser i noderna, eller snarare sannolikheten att partikeln kommer att snubbla på en tom nod, (det vill säga ~). ~. Då blir den totala förändringen i antalet partiklar lika med skillnaden mellan dessa kvantiteter:
Med tiden kommer flödena av partiklar från noder till mellanrum och i motsatt riktning att bli lika med varandra, det vill säga ett stationärt tillstånd upprättas. Eftersom antalet partiklar i mellanrummen är mycket mindre än det totala antalet noder, kan n försummas och. Härifrån finner vi
är Frenkel-koncentrationen av defekter, där a och b är okända koefficienter. Genom att använda ett statistiskt tillvägagångssätt för koncentrationen av defekter enligt Frenkel och med hänsyn till att N' är antalet mellanrum, kan vi hitta koncentrationen av defekter enligt Frenkel: , där N är antalet partiklar, N' är antalet av mellanrum.
Processen att bilda defekter enligt Frenkel är en bimolekylär process (2-delad process). Samtidigt är processen för defektbildning enligt Schottky en monomolekylär process.
En Schottky-defekt representerar en ledig tjänst. Efter att ha genomfört liknande resonemang som för Frenkel-defektkoncentrationen, får vi Schottky-defektkoncentrationen i följande form: , där nsh är Schottky-defektkoncentrationen, Esh är Schottky-defektens bildningsenergi. Eftersom bildningsprocessen enligt Schottky är monomolekylär, till skillnad från Frenkel-defekter, finns det ingen exponent 2 i exponentens nämnare. Bildningsprocessen, till exempel Frenkel-defekter, är karakteristisk för atomkristaller. För jonkristaller kan till exempel defekter, enligt Schottky, bara bildas i par. Detta beror på att för att upprätthålla den elektriska neutraliteten hos den joniska kristallen är det nödvändigt att par av joner med motsatt tecken samtidigt dyker upp på ytan. Det vill säga, koncentrationen av sådana pardefekter kan representeras som en bimolekylär process: . Nu kan vi hitta förhållandet mellan defektkoncentrationer enligt Frenkel och koncentrationen av defekter enligt Schottky: ~. Energin för bildande av pardefekter enligt Schottky Er och energin för bildande av defekter enligt Frenkel Ef har ett värde på cirka 1 eV och kan skilja sig från varandra i storleksordningen flera tiondelar av eV. KT för rumstemperaturer har ett värde i storleksordningen 0,03 eV. Sedan ~. Följaktligen följer att för en viss kristall kommer en specifik typ av punktdefekter att dominera.
Rörelsehastigheten för defekter i kristallen
Diffusion är processen att flytta partiklar i ett kristallgitter över makroskopiska avstånd på grund av fluktuationer (förändringar) i termisk energi. Om de rörliga partiklarna är partiklar av själva gittret, då talar vi om självdiffusion. Om partiklar som är främmande deltar i rörelsen, då talar vi om heterodifusion. Rörelsen av dessa partiklar i gittret kan utföras av flera mekanismer:
På grund av rörelsen av interstitiella atomer.
På grund av förflyttning av vakanser.
På grund av det ömsesidiga utbytet av platser av interstitiella atomer och vakanser.
Diffusion på grund av rörelsen av interstitiella atomer
Faktum är att den har två steg:
En interstitiell atom måste bildas i gittret.
Den interstitiella atomen måste röra sig i gittret.
Positionen vid mellanrummen motsvarar den minimala potentiella energin
Exempel: vi har ett rumsligt gitter. Partikel i mellanrummen.
För att en partikel ska kunna passera från ett mellanrum till nästa måste den övervinna en potentiell barriär med höjden Em. Frekvensen av partikelhopp från ett mellanrum till ett annat kommer att vara proportionell. Låt partiklarnas oscillationsfrekvens motsvara mellanrummen v. Antalet angränsande mellanrum är lika med Z. Då är hoppfrekvensen: .
Spridning på grund av motioner om lediga platser
Processen för diffusion på grund av vakanser är också en 2-stegs. Å ena sidan ska det bildas vakanser, å andra sidan ska det flytta. Det bör noteras att det fria utrymmet (fria platsen) där partikeln kan röra sig också existerar endast en viss bråkdel av tiden proportionellt, där Ev är energin för vakansbildning. Och hoppfrekvensen kommer att se ut så här: , där Em är rörelseenergin för vakanser, Q=Ev+Em är diffusionsaktiveringsenergin.
Flytta partiklar över långa avstånd
Betrakta en kedja av identiska atomer.
Anta att vi har en kedja av identiska atomer. De är belägna på ett avstånd d från varandra. Partiklar kan röra sig till vänster eller till höger. Den genomsnittliga förskjutningen av partiklar är 0. På grund av lika sannolikhet för partiklars rörelse i båda riktningarna:
Låt oss hitta rotmedelkvadratförskjutningen:
där n är antalet partikelövergångar, kan uttryckas. Sedan. Värdet bestäms av parametrarna för det givna materialet. Därför betecknar vi: - diffusionskoefficient, som ett resultat:
I 3D fall:
Genom att ersätta värdet på q här får vi:
Där DO är diffusionsfrekvensfaktorn är Q diffusionsaktiveringsenergin.
Makroskopisk diffusion
Tänk på ett enkelt kubiskt gitter:
Mentalt, mellan plan 1 och 2, väljer vi villkorligt plan 3. och hittar antalet partiklar som korsar detta halvplan från vänster till höger och från höger till vänster. Låt partikelhoppningsfrekvensen vara lika med q. Sedan, under en tid lika med halvplan 3, kommer partiklar att korsa från sidan av halvplan 1. På samma sätt kommer partiklar under samma tid att skära det valda halvplanet från sidan av halvplan 2. Sedan, över tiden t, kan förändringen i antalet partiklar i det valda halvplanet representeras enligt följande: . Låt oss hitta koncentrationen av partiklar - föroreningar i halvplan 1 och 2:
Skillnaden mellan volymkoncentrationerna av C1 och C2 kan uttryckas som:
Betrakta ett enda valt lager (L2=1). Vi vet att det är diffusionskoefficienten, då:
- Ficks första spridningslag.
Likaså formeln för det 3-dimensionella fallet. Endast i stället för den endimensionella diffusionskoefficienten ersätter vi diffusionskoefficienten för det 3-dimensionella fallet. Genom att använda denna analogi av resonemang för koncentrationen, och inte för antalet bärare, som i föregående fall, kan man hitta Ficks 2:a diffusion.
- Ficks andra lag.
Ficks 2:a diffusionslag är mycket bekväm för beräkningar och för praktiska tillämpningar. Speciellt för diffusionskoefficienten för olika material. Till exempel har vi något material, på vars yta en förorening appliceras, vars ytkoncentration är lika med Q cm-2. Genom att värma detta material diffunderar denna förorening in i dess volym. I detta fall, beroende på tid, etableras en viss fördelning av föroreningar över materialets tjocklek för en given temperatur. Analytiskt kan föroreningskoncentrationsfördelningen erhållas genom att lösa Fick-diffusionsekvationen i följande form:
Grafiskt är detta:
Utifrån denna princip kan man experimentellt hitta diffusionsparametrarna.
Experimentella metoder för att studera diffusion
aktiveringsmetod
En radioaktiv förorening appliceras på ytan av materialet, sedan sprids denna förorening in i materialet. Sedan avlägsnas en del av materialet lager för lager och aktiviteten hos antingen det återstående materialet eller det etsade lagret undersöks. Och hitta därmed fördelningen av koncentrationen C över ytan X(C(x)). Sedan, med hjälp av det erhållna experimentvärdet och den sista formeln, beräknas diffusionskoefficienten.
Kemiska metoder
De är baserade på det faktum att under diffusionen av en förorening, som ett resultat av dess interaktion med basmaterialet, bildas nya kemiska föreningar med olika egenskaper hos gittret.
p-n-övergångsmetoder
På grund av diffusionen av föroreningar i halvledare, på något djup i halvledaren, bildas ett område där typen av dess konduktivitet ändras. Därefter bestäms djupet av p-n-övergången och föroreningskoncentrationen på detta djup bedöms utifrån den. Och sedan gör de det i analogi med det första och andra fallet.
Lista över använda källor
1. Kittel kap. Introduktion till fasta tillståndets fysik./ Per. från engelska; Ed. A.A. Guseva. – M.: Nauka, 1978.
2. Epifanov G.I. Fasta tillståndets fysik: Proc. ersättning för universitet. - M .: Högre. skolor, 1977.
3. Zhdanov G.S., Khundzhua F.G., Lectures on Solid State Physics - M: Publishing House of Moscow State University, 1988.
4. Bushmanov B. N., Khromov Yu. A. Fasta tillståndets fysik: Proc. ersättning för universitet. - M .: Högre. skolor, 1971.
5. Katsnelson A.A. Introduktion till fasta tillståndets fysik - M: Publishing House of Moscow State University, 1984.
Defekter i kristaller Alla riktiga kristaller har inte en perfekt struktur och har ett antal brott mot det ideala rumsliga gittret, som kallas defekter i kristaller. Defekter i kristaller är uppdelade i nolldimensionella, en Defekter i kristaller kallas kränkningar av den ideala kristallstrukturen. En sådan kränkning kan bestå i att en atom av ett givet ämne ersätts med en främmande atom (föroreningsatom) (fig. 1, a), i att en extra atom förs in i ett mellanrum (fig. 1, b), i frånvaron av en atom i stället (fig. 1, c). Sådana defekter kallas precisera.De orsakar gallerbrott som sprider sig över avstånd i storleksordningen flera perioder.
Förutom punktdefekter finns defekter koncentrerade nära vissa linjer. De kallas linjära defekter eller dislokationer. Defekter av denna typ stör den regelbundna växlingen av kristallplan.
De enklaste typerna av dislokationer är regional och skruva dislokationer.
En kantdislokation orsakas av ett extra kristallint halvplan inbäddat mellan två intilliggande lager av atomer (Fig. 2). En skruvförskjutning kan representeras som ett resultat av skärning av kristallen längs ett halvplan och efterföljande förskjutning av gitterdelarna som ligger på motsatta sidor av snittet mot varandra med värdet av en period (fig. 3).
Defekter har en stark effekt på de fysiska egenskaperna hos kristaller, inklusive deras styrka.
Den initialt existerande dislokationen rör sig längs kristallen under inverkan av de spänningar som skapas i kristallen. Rörelsen av dislokationer hindras av närvaron av andra defekter i kristallen, till exempel närvaron av föroreningsatomer. Dislokationer bromsas också in när man korsar varandra. En ökning av tätheten av dislokationer och en ökning av koncentrationen av föroreningar leder till en stark retardation av dislokationer och upphörande av deras rörelse. Som ett resultat ökar materialets styrka. Till exempel uppnås en ökning av styrkan hos järn genom att lösa upp kolatomer i det (stål).
Plastisk deformation åtföljs av förstörelsen av kristallgittret och bildandet av ett stort antal defekter som förhindrar rörelsen av dislokationer. Detta förklarar härdningen av material under kallbearbetningen.
