Дефекти в кристалната структура. Дефекти в кристалните решетки Дефекти в представянето на кристалните решетки
Дефекти в кристалната структураИстински метали, които се използват като структурни
материалите се състоят от голям брой кристали с неправилна форма. Тези
кристали
Наречен
зърна
или
кристали,
А
структура
поликристални или гранулирани. Съществуващи производствени технологии
следователно металите не позволяват получаването им с идеална химическа чистота
истинските метали съдържат примесни атоми. Примесните атоми са
един от основните източници на дефекти в кристалната структура. IN
В зависимост от химичната си чистота металите се делят на три групи:
химически чист - съдържание 99,9%;
висока чистота - съдържание 99,99%;
свръхчист - съдържание 99.999%.
Атомите на всякакви примеси са рязко различни по размер и структура
се различават от атомите на основния компонент, така че силовото поле около
такива атоми са изкривени. Около всички дефекти се появява еластична зона.
изкривяване на кристалната решетка, която е балансирана по обем
кристал в съседство с дефект в кристалната структура.
присъщи на всички метали. Тези нарушения на идеалната структура на твърдите тела
имат значително въздействие върху техните физически, химични,
технологични и експлоатационни свойства. Без употреба
идеи за дефекти в реални кристали, е невъзможно да се изследват явленията
пластична деформация, втвърдяване и разрушаване на сплави и др. Дефекти
Кристалната структура може да бъде удобно класифицирана според тяхната геометрия
форма и размер:
повърхност (двумерни) са малки само в една посока и имат
плоска форма - това са границите на зърната, блоковете и близнаците, границите на домейните;
точка (нулево-мерни) са малки и в трите измерения, техните размери не са
повече от няколко атомни диаметъра са свободни места, интерстициални атоми,
примесни атоми;
линейни (едномерни) са малки в две посоки, а в третата
посока те са съизмерими с дължината на кристала - това са дислокации, вериги
ваканции и интерстициални атоми;
обемни (триизмерни) имат и в трите измерения относително
големи размери означават големи нееднородности, пори, пукнатини и др.; Повърхностните дефекти са интерфейси
между отделни зърна или подзърна в поликристален метал, до
Това включва и дефекти на „опаковане“ в кристалите.
Границата на зърното е повърхност, от двете страни на която
кристалните решетки се различават по пространствена ориентация. Това
повърхността е двуизмерен дефект със значителни размери
две измерения, а в третото - размерът му е съпоставим с атомния. Граници на зърното
- това са зони с висока дислокационна плътност и непоследователност
структура на съседни кристали. Атомите по границите на зърната са се увеличили
енергия в сравнение с атомите вътре в зърната и, като следствие, повече
са склонни да участват в различни взаимодействия и реакции. На границите на зърната
няма подредено подреждане на атомите. На границите на зърната по време на кристализацията на метала те се натрупват
образуват се различни примеси, дефекти, неметални включвания,
оксидни филми. В резултат на това металната връзка между зърната се прекъсва
и здравината на метала намалява. В резултат на нарушената гранична конструкция
отслабват или укрепват метала, което води съответно до
междукристален (междузърнест) или трансгрануларен (по протежение на тялото на зърното)
унищожаване. Под въздействието на високи температури металът има тенденция да се редуцира
повърхностна енергия на границите на зърното поради растеж и свиване на зърното
дължината на техните граници. При химическо излагане на границите на зърната
се оказват по-активни и в резултат на това корозионно разрушаване
започва от границите на зърната (тази характеристика е в основата на микроанализа
метали при производството на полирани профили).
Има и друг източник на изкривяване на повърхността на кристала
метална конструкция. Металните зърна са взаимно неправилно ориентирани на няколко
градуса, фрагментите са неправилно ориентирани с минути, а блоковете, които съставляват
фрагмент, взаимно неправилно ориентиран само за няколко секунди. Ако
разгледайте зърното при голямо увеличение, оказва се, че вътре в него
Има зони, неправилно ориентирани една спрямо друга под ъгъл от 15"...30".
Тази структура се нарича блок или мозайка, а областите се наричат блокове
мозайки. Свойствата на металите ще зависят както от размерите на блоковете и зърната, така и от
и върху тяхната взаимна насоченост. Ориентираните блокове се комбинират в по-големи фрагменти
чиято обща ориентация остава произволна, следователно всички зърна
неправилно ориентирани един спрямо друг. С повишаване на температурата
неправилната ориентация на зърната се увеличава. Топлинен процес, причиняващ разделяне на зърната
на фрагменти се нарича полигонизация.
Разликата в свойствата в зависимост от посоката в металите е
името е анизотропия. Анизотропията е характерна за всички вещества с
кристална структура. Следователно зърната са разположени произволно в обема
Има приблизително еднакъв брой атоми в различни посоки и
свойствата остават същите, това явление се нарича квазианизотропия
(невярно – анизотропия). Точковите дефекти са малки в три измерения и размери
приближава точката. Един от честите дефекти е
празни места, т.е. място, което не е заето от атом (дефект на Шотки). За заместване на свободна позиция
възел, нов атом може да се премести и по него се образува празно място - "дупка".
квартал. С повишаване на температурата концентрацията на свободни места се увеличава. Така
като атоми. разположен близо до повърхността. може да излезе на повърхността
кристал. и атомите ще заемат тяхното място. разположени по-далеч от повърхността.
Наличието на свободни места в решетката придава подвижност на атомите. тези. им позволява
преминават през процеса на самодифузия и дифузия. и по този начин осигурява
влияние върху процеси като стареене, освобождаване на вторични фази и др.
Други точкови дефекти са разместени атоми
(дефект на Френкел), т.е. атоми от собствен метал, напускащи възела
решетка и се проведе някъде в междувъзлията. В същото време на място
движейки се атом, се образува ваканция. Концентрацията на такива дефекти
малък. защото образуването им изисква значителен разход на енергия. Всеки метал съдържа чужди примесни атоми. IN
В зависимост от естеството на примесите и условията, при които попадат в метала, те могат
са разтворени в метала или съществуват под формата на отделни включвания. На
свойствата на метала са най-силно повлияни от чужди разтворени
примеси, чиито атоми могат да бъдат разположени в кухините между атомите
неблагородни метали - интерстициални атоми или в местата на кристалната решетка
неблагородни метали - заместващи атоми. Ако примесните атоми са значително
по-малко атоми на основни метали, тогава те образуват интерстициални разтвори и ако
повече - тогава те образуват заместващи разтвори. И в двата случая решетката става
дефектен и неговите изкривявания влияят на свойствата на метала. Линейните дефекти са малки в две измерения, но в третото могат
достигат дължината на кристала (зърното). Линейните дефекти включват вериги
свободни позиции. интерстициални атоми и дислокации. Дислокациите са особени
вид несъвършенства в кристалната решетка. От гледна точка на дислокационната теория
разглеждат се якостни, фазови и структурни трансформации. Луксация
наречено линейно несъвършенство, което образува зона вътре в кристала
смяна Теорията на дислокациите е приложена за първи път в средата на тридесетте години
Физиците от 20-ти век Оруан, Поляни и Тейлър, за да опишат процеса
пластична деформация на кристални тела. Използването му е разрешено
обяснете естеството на якостта и пластичността на металите. Дислокационната теория даде
способността да се обясни огромната разлика между теоретично и практическо
якост на металите.
Основните видове дислокации включват ръб и винт. Регионален
се образува луксация, ако доп
полуравнина на атомите, която се нарича екстраравнина. Нейното предимство е 1-1
създава линеен дефект на решетката, наречен дислокация на ръба.
Традиционно се приема, че луксацията е положителна, ако е в горната част
част от кристала и се обозначава със знака „ “, ако дислокацията е разположена на дъното
части - минус „Т“. Разместванията на един и същи знак се отблъскват взаимно и
обратното – привличат. Под влияние на напрежението на ръба
една дислокация може да се движи през кристала (по равнината на срязване), докато
ще достигне границата на зърното (блока). Това създава стъпка с размер на
едно междуатомно разстояние. Пластмасовото срязване е следствие
постепенно движение на дислокации в равнината
смяна Разпространение на плъзгане по равнина
плъзгането става последователно. Всеки
елементарният акт на преместване на дислокация от
една позиция в друга се постига от
разкъсване само на един вертикален атом
самолет. За преместване на дислокации е необходимо
значително по-малко сила, отколкото за хард
изместване на една част от кристала спрямо друга в равнината на срязване. При
движение на дислокация по посока на срязване през целия кристал
има изместване на горната и долната му част само с един междуатомен
разстояние. В резултат на движението дислокацията излиза на повърхността
кристал и изчезва. На повърхността остава плъзгаща се стъпка. Дислокация на винта. Образува се от непълно изместване на кристала по протежение на
плътност Q. За разлика от ръбовата дислокация, винтовата дислокация
успоредно на вектора на изместване.
Дислокациите се образуват по време на кристализацията на металите по време на
„колапс“ на група свободни места, както и по време на пластична деформация
и фазови трансформации. Важна характеристика на дислокационната структура
са плътността на дислокациите. Плътността на дислокация се разбира като
обща дължина на дислокация l (cm) на единица обем V
кристал (cm3). По този начин. размер на дислокационната плътност, cm-2. U
закалени метали - 106...108 cm-2. При студена пластмаса
деформация, плътността на дислокациите нараства до 1011...1012 cm-2. | Повече ▼
високата плътност на дислокация води до появата на микропукнатини и
разрушаване на метала.
В близост до линията на дислокация атомите се изместват от
местата им и кристалната решетка се изкривява, което
предизвиква образуването на поле на напрежение (над линията
дислокации, решетката се компресира, а отдолу се разтяга).
Стойността на единица преместване на равнини
характеризиращ се с вектора на Burger b, който
отразява както абсолютната стойност на смяната, така и нейната
посока. Смесена дислокация. Разместването не може да завърши вътре
кристал, без да се свързва с друга дислокация. Това следва от факта, че
дислокацията е границата на зона на срязване и винаги има зона на срязване
затворена линия и част от тази линия може да минава по външната
кристална повърхност. Следователно линията на дислокация трябва да се затвори
вътре в кристала или край на повърхността му.
Когато се образува границата на зоната на срязване (линия на дислокация abcdf).
прави сечения, успоредни и перпендикулярни на вектора на срязване, и
по-общ случай на извита дислокационна линия gh. В раздели av, cd и
ef е ръбова дислокация, а в участъците all и de има винтова дислокация. Отделно
участъци от извита линия на дислокация имат ръб или винт
ориентация, но част от тази крива не е нито перпендикулярна, нито успоредна
вектор на срязване, като в тези зони има смесена дислокация
ориентация. Пластичната деформация на кристалните тела е свързана с количеството
дислокации, тяхната ширина, подвижност, степен на взаимодействие с дефекти
решетки и т. Естеството на връзката между атомите влияе върху пластичността
кристали. Така в неметалите с техните твърди насочени връзки
дислокациите са много тесни, изискват големи напрежения, за да започнат - в 103
пъти повече, отколкото при металите. В резултат на крехко счупване на неметалите
настъпва по-рано от смяната.
Основната причина за ниската якост на истинските метали е
наличието на дислокации и други несъвършенства в структурата на материала
кристална структура. Получаване на кристали без дислокации
води до рязко повишаване на якостта на материалите.
Левият клон на кривата съответства на творението
перфектен
без изкълчване
нишковидни
кристали (т.нар. “мустаци”), сила
което е близко до теоретичното. С ограничени
плътност на дислокация и други изкривявания
кристален
решетки
процес
смяна
възниква толкова по-лесно, колкото повече изкълчвания има
разположен в по-голямата част от метала. Една от характеристиките на дислокацията е векторът на изместване - вектор
Бургери. Векторът Burgers е допълнителен вектор, който се нуждае
вкарайте в контура, описан около дислокацията, за да затворите
съответната верига в решетката на идеален кристал, отворена
поради наличието на дислокация. Контур, начертан по решетка около областта, в
който има дислокация ще се окаже отворен (контур на Бюргерс). празнина
контурът характеризира сумата от всички еластични премествания на решетката, натрупани в
зоната около дислокацията е векторът на Бюргерс.
За ръбова дислокация векторът на Бюргерс е перпендикулярен, а за винтова дислокация
дислокация – успоредна на линията на дислокация. Векторът на Бъргерс е мярка
изкривяване на кристалната решетка поради наличието в нея
дислокации. Ако дислокация е въведена в кристала чрез чисто срязване, тогава векторът
отместване и е векторът на Бъргерс. Очертанията на бургери може да са изместени
по протежение на линията на дислокация, опъната или компресирана в посока, перпендикулярна на
дислокационни линии, докато величината и посоката на вектора на Бюргерс
остава постоянен. С нарастването на напрежението броят на източниците на дислокация в
метал и тяхната плътност се увеличава. В допълнение към паралелните дислокации
възникват дислокации в различни равнини и посоки. Луксации
влияят взаимно, предотвратяват взаимното смесване, техните
анихилация (взаимно унищожение) и т.н. (което позволи на Дж. Гордън образно
наричаме тяхното взаимодействие в процеса на пластична деформация „интимно“
живот на дислокациите“). Тъй като плътността на дислокациите се увеличава, тяхното движение
става все по-трудно, което налага увеличаване на прилаганите
натоварване за продължаване на деформацията. В резултат на това металът се укрепва, което
съответства на десния клон на кривата.
Дислокациите, заедно с други дефекти, участват във фазовите преходи.
трансформации, рекристализация, служат като готови центрове по време на утаяване
втората фаза от твърд разтвор. По дължината на дислокациите скоростта на дифузия е
няколко порядъка по-високи, отколкото през кристална решетка без дефекти.
Дислокациите служат като място за концентрация на примесни атоми, особено
интерстициални примеси, тъй като това намалява изкривяването на решетката. Ако под въздействието на външни сили в метала възникнат дислокации,
тогава еластичните свойства на метала се променят и влиянието започва да се отразява
знак за първоначална деформация. Ако металът е подложен на слаб
пластична деформация от товар със същия знак, след това при промяна на знака
натоварване, намаляване на устойчивостта на първоначалната пластмаса
деформации (ефект на Баушингер).
Дислокации, възникващи по време на първичната причина за деформация
появата на остатъчни напрежения в метала, които, когато се комбинират с
работните напрежения, когато знакът на товара се промени, причиняват намаляване
провлачване. С увеличаване на началните пластични деформации
степента на намаляване на механичните характеристики се увеличава.
Ефект
Баушингер
очевидно
се проявява
при
незначителен
начален
студено втвърдяване
Къс
ваканция
занитен
материали
елиминира всички прояви
Ефект на Баушингер. Ефект
е значително отслабена от
многократни
цикличен
товари
материал
с
наличие на малка пластмаса
деформации с различни знаци. Всички горепосочени дефекти в кристалната структура водят до
появата на вътрешни напрежения. По обем къде са
са балансирани, разграничават се напрежения от 1-ви, 2-ри и 3-ти вид.
Вътрешните напрежения от първи вид са зонални напрежения,
възникващи между отделни секционни зони или между отделни
части части. Те включват топлинни напрежения, които се появяват
с ускорено нагряване и охлаждане при заваряване и термична обработка.
Вътрешни напрежения от втори вид – възникват вътре в зърното или между него
съседните зърна се дължат на дислокационната структура на метала.
Вътрешни напрежения от трети вид - възникват вътре в обем на ордера
няколко елементарни клетки; основният източник е точка
дефекти.
Вътрешните остатъчни напрежения са опасни, защото
добави към текущите работни напрежения и може да доведе до
преждевременно разрушаване на структурата.
Слайд 1
Идеални кристали, в които всички атоми биха били в позиции с минимална енергия, практически не съществуват. Отклоненията от идеалната решетка могат да бъдат временни или постоянни. Временни отклонения възникват, когато кристалът е изложен на механични, топлинни и електромагнитни вибрации, когато поток от бързи частици преминава през кристала и т.н. Постоянните несъвършенства включват:
Слайд 2
точкови дефекти (интерстициални атоми, ваканции, примеси). Точковите дефекти са малки и в трите измерения, размерите им във всички посоки са не повече от няколко атомни диаметъра;
Слайд 3
линейни дефекти (дислокации, вериги от ваканции и интерстициални атоми). Линейните дефекти имат атомни размери в две измерения, а в третото са със значително по-големи размери, които могат да бъдат съизмерими с дължината на кристала;
Слайд 4
плоски или повърхностни дефекти (граници на зърната, граници на самия кристал). Повърхностните дефекти са малки само в едно измерение;
Слайд 5
обемни дефекти или макроскопични нарушения (затворени и отворени пори, пукнатини, включвания на чужди тела). Обемните дефекти имат относително големи размери, несъизмерими с атомния диаметър, във всичките три измерения.
Слайд 6
Както интерстициалните атоми, така и свободните места са дефекти на термодинамичното равновесие: при всяка температура има много определен брой дефекти в кристалното тяло. В решетките винаги има примеси, тъй като съвременните методи за кристално пречистване все още не позволяват получаването на кристали със съдържание на примесни атоми по-малко от 10 cm-3. Ако атом на примес замества атом на основното вещество в място на решетката, той се нарича заместващ примес. Ако примесен атом се въведе в интерстициално място, той се нарича интерстициален примес.
Слайд 7
Свободното място е липсата на атоми в местата на кристалната решетка, „дупки“, които са се образували в резултат на различни причини. Образува се по време на прехода на атомите от повърхността към околната среда или от възлите на решетката към повърхността (граници на зърната, кухини, пукнатини и др.), в резултат на пластична деформация, когато тялото е бомбардирано с атоми или високо- енергийни частици. Концентрацията на свободните места до голяма степен се определя от телесната температура. Отделни свободни позиции могат да се срещат и комбинират в отделни позиции. Натрупването на много празни места може да доведе до образуване на пори и празнини.
Дефектите в кристалите се разделят на:
Нулево измерение
Едномерен
Двуизмерен
Точкови дефекти (нулевомерни) - нарушение на периодичността в изолирани една от друга точки на решетката; и в трите измерения те не надвишават едно или повече междуатомни разстояния (параметри на решетката). Точковите дефекти са празни места, атоми в междинни пространства, атоми в места на „чужда“ подрешетка, примесни атоми в места или междинни пространства.
Свободни работни места– липса на атом или йон в мястото на кристалната решетка; Внедреноили интерстициаленатомите или йоните могат да бъдат както присъщи, така и примесни атоми или йони, които се различават от основните атоми по размер или валентност. Заместващи примесизаместват частиците на основното вещество в решетъчните възли.
Линеен(едномерни) дефекти – Основните линейни дефекти са дислокации. Априорната концепция за дислокации е използвана за първи път през 1934 г. от Orowan и Theiler в тяхното изследване на пластичната деформация на кристални материали, за да обясни голямата разлика между практическата и теоретичната якост на метала. Луксация– това са дефекти в кристалната структура, представляващи линии, по протежение и в близост до които е нарушено правилното разположение на атомните равнини, характерни за кристала.
Повърхностни дефекти на кристалната решетка.Дефектите на повърхностната решетка включват грешки при подреждане и граници на зърната.
Заключение: Всички видове дефекти, независимо от причината за възникването им, водят до нарушаване на равновесното състояние на решетката и увеличават нейната вътрешна енергия.
Слайд 1
Физика на твърдото тяло. Част 2.
Истинските кристали (точно като „истинските момчета“) са идеални кристали, които растат на грешни места.
Слайд 2
Растеж на кристали Знаете, разбира се, че водата (при нормално налягане) замръзва при 0°. Ако температурата падне, то точно при 0° водата ще започне да замръзва и ще се превръща в ледени кристали. Докато цялата вода не замръзне, температурата й няма да спадне повече. Ако, напротив, загреете леден кристал до 0°, той ще остане непроменен. Веднага щом температурата достигне 0 °, кристалът веднага ще започне да се топи. Колкото и да нагряваме допълнително, температурата на леда няма да се увеличи, докато целият лед не се разтопи. Само когато целият кристал, след като се стопи, се превърне във вода (с други думи, докато структурата на всички частици се разпадне), температурата на водата може да започне да се повишава. Всяко кристално вещество се топи и кристализира при строго определена точка на топене: желязото - при 1530°, калай - при 232°, кварц - при 1713°, живак - при минус 38°. Некристалните твърди вещества нямат постоянна точка на топене (и следователно нямат температура на кристализация); при нагряване те постепенно се размекват.
Слайд 3
Методи за отглеждане на кристали Един от тях е охлаждането на наситен горещ разтвор. При всяка температура не повече от определено количество вещество може да се разтвори в дадено количество разтворител (например вода). Ако разтворът се охлажда бавно, се образуват малко ядра и, постепенно нараствайки от всички страни, те се превръщат в красиви кристали с правилна форма. При бързо охлаждане се образуват много ядра и частиците от разтвора ще „паднат“ върху повърхността на нарастващите кристали, като грах от разкъсана торба; Разбира се, това няма да произведе правилните кристали, защото частиците в разтвора може просто да нямат време да се „утаят“ на повърхността на кристала на правилното им място. Друг метод за получаване на кристали е постепенното отстраняване на водата от наситен разтвор. „Излишното“ вещество кристализира. И в този случай, колкото по-бавно се изпарява водата, толкова по-добре се получават кристалите.
Слайд 4
Третият метод е да се отглеждат кристали от разтопени вещества чрез бавно охлаждане на течността. При използване на всички методи най-добри резултати се получават, ако се използва семе - малък кристал с правилна форма, който се поставя в разтвор или стопилка. По този начин се получават например рубинени кристали. Отглеждането на кристали от скъпоценни камъни става много бавно, понякога в продължение на години. Ако ускорите кристализацията, тогава вместо един кристал ще получите маса от малки. Този метод може да се извърши само в специални устройства. В момента повече от половината от технически важните кристали се отглеждат от стопилка. Един от най-широко използваните индустриални методи за производство на полупроводници и други монокристали е методът на Чохралски. Разработен през 1918 г. Изходният материал (шихта) се зарежда в огнеупорен тигел и се нагрява до разтопено състояние. След това зародишният кристал под формата на тънък прът с диаметър няколко mm се монтира в охладен кристален държач и се потапя в стопилката
Слайд 5
Ян Чохралски (1885 - 1953) - полски химик, изобретател на сега широко известния метод за отглеждане на монокристали от стопилка чрез издърпването им нагоре от свободна повърхност, който по-късно е кръстен на него. Според някои разкази Чохралски открива известния си метод през 1916 г., когато случайно изпуска писалката си в тигел с разтопен калай. Като извади писалката от тигела, той откри, че тънка нишка от замръзнала калай се влачи зад металната писалка. Като замени писеца на писалката с микроскопично парче метал, Чохралски беше убеден, че така образуваната метална нишка има монокристална структура. В експерименти, проведени от Чохралски, са получени единични кристали с размери около един милиметър в диаметър и до 150 cm дължина
Слайд 6
Кристални дефекти При описанието на структурата на кристалите досега използвахме техните идеални модели. Разликата между истинските кристали и идеалните е, че истинските кристали нямат правилна кристална решетка. Те винаги съдържат нарушения на строгата периодичност в подреждането на атомите. Тези нередности се наричат кристални дефекти. Дефектите се образуват по време на растежа на кристалите под въздействието на термично движение на молекули, механични въздействия, облъчване от потоци частици, поради наличието на примеси и др. Кристални дефекти са всяко нарушение на транслационната симетрия на кристала - идеалната периодичност на кристалната решетка. Има няколко вида дефекти в зависимост от размера. А именно, има нулеви (точкови), едномерни (линейни), двумерни (плоски) и триизмерни (обемни) дефекти.
Слайд 7
Нулевите (или точкови) дефекти в кристал включват всички дефекти, които са свързани с изместването или заместването на малка група атоми (присъщи точкови дефекти), както и с примеси. Те възникват при нагряване, легиране, при растеж на кристали и в резултат на излагане на радиация. Те могат да бъдат въведени и в резултат на имплантиране. Свойствата на такива дефекти и механизмите на тяхното образуване са най-добре проучени, включително движение, взаимодействие, анихилация и изпаряване. Дефектите, наречени точкови дефекти, възникват, когато един от атомите на кристалната решетка е заменен с атом на примес (а), въвеждането на атом между местата на решетката (b) или в резултат на образуването на свободни места - отсъствието на атом в едно от местата на решетката (c).
Слайд 8
Заместващите примеси, заместващи частици от основното вещество в местата на решетката, се въвеждат в решетката толкова по-лесно, колкото по-близки са атомните (йонни) радиуси на примеса и основното вещество. Интерстициалните примеси заемат междини и освен това, толкова по-лесно, толкова по-голям е обемът на пространството между атомите. Въведените атоми или йони, които се различават от основните атоми по размер или валентност, могат да бъдат или присъщи, или примесни атоми или йони. Ако чужд атом е във възел, тогава това е дефект на заместване; ако е в междинно пространство, тогава това е интерстициален атом. Равновесните позиции, заети от интерстициалните атоми, зависят от материала и типа на решетката. Съседните атоми в местата на кристалната решетка са леко изместени, което води до лека деформация. Свободните места са най-важният тип точкови дефекти; те ускоряват всички процеси, свързани с движението на атомите: дифузия, синтероване на прахове и др. В технически чистите метали точковите дефекти увеличават електрическото съпротивление, но почти не влияят върху механичните свойства. Само при високи концентрации на дефекти в облъчените метали пластичността намалява и други свойства забележимо се променят.
Слайд 9
Как могат да се появят точни дефекти? Според основните принципи на статистическата физика, дори в случай, че средната кинетична енергия на атомите е много малка, винаги ще има определен брой атоми с по-висока енергия, достатъчна за атома да напусне мястото на кристалната решетка. Движейки се около кристала и отдавайки част от енергията си на други атоми, такъв атом може да се намира в междини. Комбинацията от атом в интерстициално място и празно място се нарича дефект на Френкел (или двойка на Френкел). Ваканцията и интерстициалният атом са свързани със значителни еластични сили.
Френкелови дефекти лесно възникват в кристали, съдържащи значителни междуатомни празнини. Примери за такива кристали са вещества със структура на диамант или каменна сол.
Слайд 10
Точковите дефекти на Шотки се намират главно в плътно опаковани кристали, където образуването на интерстициални атоми е трудно или енергийно неизгодно. Някои атоми от приповърхностния слой, в резултат на топлинно движение, могат да напуснат кристала на повърхността (фиг.). След това свободното място на освободеното място може да мигрира в по-голямата част от кристала. Образуването на дефекти на Шотки намалява плътността на кристала, тъй като обемът му се увеличава при постоянна маса, докато при образуването на дефекти на Френкел плътността остава непроменена, тъй като обемът на цялото тяло не се променя.
Валтер Херман Шотки (1886 - 1976) - известен немски физик, изобретил електронната тръба с екранираща решетка през 1915 г. и тетрода през 1919 г. През 1938 г. Шотки формулира теория, предвиждаща ефекта на Шотки, който сега се използва в диодите на Шотки.
Слайд 11
По този начин, докато представляват по-малко от перфектна, подредена и донякъде монотонна последователност от редуващи се положителни и отрицателни йони, истинските кристали съдържат широка гама от интересни точкови дефекти, които, както ще видим, могат значително да повлияят на много от техните свойства. Това, както вече казахме, са присъщи дефекти, чиято концентрация зависи от температурата, и в допълнение, неприсъщи, примесни дефекти, които присъстват случайно или са добавени целенасочено по време на растежа на кристала. Всички тези дефекти могат да се считат за квазичастици. Подобно на истинските частици във вакуум, те могат да се движат и взаимодействат помежду си на големи разстояния, за да образуват по-сложни структури.
Слайд 12
Процеси на транспортиране в кристали Често погрешно се смята, че такива добре известни алкални халидни съединения като натриев хлорид и калиев хлорид са изолатори, но всъщност те са относително добри проводници, това е особено вярно при повишени температури. Фактът, че съществува проводимост, както и фактът, че както самодифузията, така и дифузията на примесните йони се случват доста лесно в йонните твърди вещества, служат като неопровержимо доказателство за наличието на точкови дефекти в тях. Много от тези материали нямат електронна проводимост - измерванията показват, че проводимостта се дължи на миграцията на йони. Въпреки това, без съществуването на празни места или интерстициални атоми, движението на йони в такъв класически йонен проводник е невъзможно: това би изисквало твърде много енергия. Благодарение на дефектите и техните движения (фиг.), Процесът на движение на йони се превръща в размяна на места между йона и дефекта; в този случай необходимото количество енергия намалява.
Слайд 13
Дифузия (лат. diffusio - разпространение, разпространение, разпръскване, взаимодействие) е процесът на взаимно проникване на молекули на едно вещество между молекулите на друго, което води до спонтанно изравняване на техните концентрации в целия зает обем. В някои ситуации едно от веществата вече има изравнена концентрация и се говори за дифузия на едно вещество в друго. В този случай веществото се прехвърля от зона с висока концентрация в област с ниска концентрация (по градиент на концентрация). В кристалите както собствените атоми на решетката могат да дифундират (самодифузия или хомодифузия), така и атоми на други химични елементи, разтворени в веществото (примеси или хетеродифузия), както и точкови дефекти в кристалната структура - интерстициални атоми и ваканции.
Слайд 14
Дифузията е процес на молекулярно ниво и се определя от случайния характер на движението на отделните молекули. Следователно скоростта на дифузия е пропорционална на средната скорост на молекулите. Ако в смес от газове масата на една молекула е четири пъти по-голяма от друга, тогава такава молекула се движи два пъти по-бавно от движението си в чист газ. Съответно скоростта му на дифузия също е по-ниска. Тази разлика в скоростта на дифузия на леки и тежки молекули се използва за разделяне на вещества с различно молекулно тегло. Пример е разделянето на изотопи. Ако газ, съдържащ два изотопа, премине през пореста мембрана, по-леките изотопи преминават през мембраната по-бързо от по-тежките. За по-добро разделяне процесът се извършва на няколко етапа. Този процес е широко използван за разделяне на уранови изотопи (отделяне на 235U от основния 238U). (В момента за разделяне на изотопите на урана се използва методът на центрофугиране, при който газът, съдържащ уран, се върти много бързо и поради разликата в масата на молекулите се разделят изотопите, които след това се превръщат обратно в метал. )
Слайд 15
Феноменологично дифузията се подчинява на законите на Фик. Първият закон на Фик установява пропорционалността на дифузионния поток на частиците към градиента на тяхната концентрация; Вторият закон на Фик описва промяната в концентрацията поради дифузия. Феноменът на дифузия е изследван за първи път от учения от Вюрцбург А. Фик на примера на солеви разтвори. Чрез внимателно изследване Фик показа, че свободната дифузия на солеви разтвори се извършва по закони, напълно аналогични на законите за разпространение на топлината в твърдите тела.
Слайд 16
Дифузия в кристали Някои общи кристалографски характеристики на процеса на дифузия са доста очевидни, ако вземем предвид геометрията на кристала. На първо място, дифузията почти винаги става постепенно, като дължината на елементарните „стъпки“ е от порядъка на един атомен диаметър, т.е. няколко ангстрьома. Атомите се движат, като скачат от една позиция в решетката в друга. Като цяло тези елементарни скокове осигуряват движението на атомите на големи разстояния. Нека да разберем какъв е механизмът на отделните атомни скокове. Има няколко възможни схеми: движение на свободни места, движение на интерстициални атоми или някакъв метод за взаимен обмен на места между атомите (фиг.).
Атомни движения, които водят до дифузия: а – движение на свободни места; b – движение на интерстициални атоми; в – размяна на местата на два атома; d – пръстенна размяна на места от четири атома
Слайд 17
Въз основа на идеята за точкови дефекти в кристалите, Frenkel предложи два основни механизма на дифузия в твърди тела: ваканция (фиг. a: атом се движи, разменяйки места с ваканция) и интерстициален (фиг. b: атом се движи по междини ). Вторият метод премества малки (по размер) атоми на примеси, а първият метод премества всички останали: това е най-често срещаният механизъм на дифузия.
Яков Илич Френкел (1894 - 1952) - съветски учен, физик-теоретик, един от основателите на физиката на твърдото тяло. От 1921 г. до края на живота си Френкел работи в Ленинградския физико-технически институт. От 1922 г. Френкел публикува нова книга буквално всяка година. Става автор на първия курс по теоретична физика в СССР.
Слайд 18
Дислокации Дислокацията е линеен дефект в кристалната решетка на твърдо тяло, което представлява наличието на „допълнителна“ атомна полуравнина. Най-простият визуален модел на изместване на ръба е книга, в която е откъсната част от една от вътрешните страници. Тогава, ако страниците на една книга се оприличат на атомни равнини, тогава ръбът на разкъсаната част на страницата моделира линия на дислокация. Има винтови и ръбови дислокации.
Слайд 19
За да се образува дислокация в идеален кристал, е необходимо да се получи изместване в някаква част от равнината на приплъзване
Плътността на дислокациите варира в широк диапазон и зависи от състоянието на материала. След внимателно отгряване плътността на дислокациите е ниска; в кристали със силно деформирана кристална решетка плътността на дислокациите достига много високи стойности.
Слайд 20
Плътността на дислокациите до голяма степен определя пластичността и здравината на материала. Ако плътността е по-малка от определена стойност, тогава устойчивостта на деформация се увеличава рязко и якостта се доближава до теоретичната. По този начин се постига увеличаване на якостта чрез създаване на метал с бездефектна структура, а също така, от друга страна, чрез увеличаване на плътността на дислокациите, което възпрепятства тяхното движение.
Слайд 21
По време на пластичната деформация една част от кристала се движи спрямо друга под въздействието на тангенциални напрежения. При отстраняване на натоварванията остава срязването, т.е. настъпва пластична деформация. Прилагането на напрежение на срязване води до движение на ръбова дислокация, а изместването на нейната ос с една транслация означава промяна в полуравнината, която в момента образува дислокацията. Движението на ръбова дислокация през целия кристал ще доведе до изместване на част от кристала с едно междуатомно разстояние. Резултатът от това е пластична деформация на кристала (фиг.), т.е. части от кристала се изместват една спрямо друга с една транслация.
Металът в напрегнато състояние винаги изпитва нормални и тангенциални напрежения при всякакъв вид натоварване. Увеличаването на нормалните и срязващи напрежения води до различни последствия. Увеличаването на нормалните напрежения води до крехко счупване. Пластичната деформация се причинява от тангенциални напрежения.
Слайд 22
Увеличаването на якостта се постига чрез създаване на метал с бездефектна структура, както и чрез увеличаване на плътността на дислокациите, което възпрепятства тяхното движение. Понастоящем са създадени бездефектни кристали - мустаци с дължина до 2 mm, дебелина 0,5...20 микрона - "мустаци" със сила, близка до теоретичната. Дислокациите засягат не само здравината и пластичността, но и други свойства на кристалите. С увеличаване на плътността на дислокациите техните оптични свойства се променят и електрическото съпротивление на метала се увеличава. Дислокациите увеличават средната скорост на дифузия в кристала, ускоряват стареенето и други процеси, намаляват химическата устойчивост, поради което в резултат на обработката на повърхността на кристала със специални вещества се образуват ями в местата, където се появяват дислокации.
Слайд 23
Епитаксията е естествен растеж на един кристален материал върху друг (от гръцки επι - върху и ταξισ - подреждане), т.е. ориентиран растеж на един кристал върху повърхността на друг (субстрат). Минималната енергия се консумира, ако кристалът расте по протежение на винтова дислокация.
Слайд 24
Благодаря за вниманието!
Дефекти в кристалите. Кристалът е изпълнен с дефекти. Как дефектите влияят на здравината на кристалите? Те намаляват силата стотици, хиляди пъти. Но с увеличаване на деформацията на кристала, броят на дефектите в него също се увеличава. И тъй като дефектите взаимодействат помежду си, колкото повече са, толкова по-трудно се движат в кристала. Оказва се парадокс: ако има дефект в кристала, кристалът се деформира и разрушава по-лесно, отколкото ако няма дефект. И ако има твърде много дефекти, тогава кристалът отново става силен и колкото повече дефекти, толкова по-подреден е той. Това означава, че ако се научим да контролираме броя и местоположението на дефектите, ще можем да контролираме здравината на материалите.
Слайд 21от презентацията "Кристал". Размерът на архива с презентацията е 1397 KB.Химия 11 клас
резюме на други презентации“Класификация на веществата” - Класифицирайте веществата. Прости вещества - метали. злато. Zn. Сяра. Класификация на веществата. CO. Cl2. Метали и неметали. Елиминирайте веществото, което е ненужно според класификационните характеристики. Простите вещества са неметали. Na2o. O2. Сребро. О.С.Габриелян. 11 клас. Сортирайте веществата в класове.
“Кръговрат на елементите в природата” - Денитрифициращи бактерии. Растителни протеини. Бактерии. атмосфера. Светкавица. Цикъл на азота. Голям кръг. Разлагащи се организми. Фосфорът се намира в различни минерали като неорганичен фосфатион (PO43-). Фосфорът е част от гени и молекули, които пренасят енергия вътре в клетките. Доминиращата форма на кислород в атмосферата е молекулата O2. Изкуствени фосфатни торове; перилни препарати. Фосфатите са разтворими във вода, но не са летливи.
“Химия на дисперсните системи” - Дисперсна система твърдо - течно. Порест шоколад. Хрущял. дим. Минерали. Средата и фазата са течности. Керамика. Syneresis определя срока на годност на хранителни, медицински и козметични гелове. В медицината. Газирани напитки. Дисперсна система газ - течност. Смог. В хранително-вкусовата промишленост. Порест каучук. Золи Гели. Верни решения. Полистирен. Суспензии. Дисперсна система течност - газ. Гелове. Фазата и средата лесно се разделят чрез утаяване.
“Периодична таблица на химията” - I. Döbereiner, J. Dumas, френски химик A. Chancourtois, английски. химиците В. Одлинг, Й. Менделеев за мястото на елемента в системата; Позицията на елемента се определя от периода и номерата на групите. прогноза за „екаалуминий“ (бъдещ Ga, открит от P. Lecoq de Boisbaudran през 1875 г.), „ecaboron“ (Sc, открит от шведския учен L. Nilsson през 1879 г.) и „ekasilicon“ (Ge, открит от немския учен K. , Winkler през 1886 г.). 1829 - "триади" от Дьоберейнер; 1850 "диференциални системи" от Петенкофер и Дюма. 1864 Meyer - таблица, показваща връзката на атомните тегла за няколко характерни групи елементи. Newlands - съществуването на групи от елементи със сходни химични свойства. Колчина Н. 11 "А". Периодичен закон, Периодична таблица на химичните елементи от Д. И. Менделеев.
“Хигиенни и козметични продукти” - Като перилен препарат. Действието на втората група дезодоранти се основава на частично потискане на процесите на изпотяване. За артисти Водороден пероксид на прах. Значение на думите. Козметичните декоративни пудри са многокомпонентни смеси. Козметични инструменти. Изпълнил: Светлана Шестерикова, ученичка от 11 а клас на СОУ №186 на ГОУ. Малко история. Етап I. Функции на перилния препарат. Сапуни и перилни препарати.
„Химия на среброто“ - Сребърен нитрат или лапис - кристали от ромбичната система. Брадавица след обгаряне със сребърен нитрат. Среброто в изкуството. AgNO3 е много разтворим. И какви опасности крие мистериозният метал? Образува сплави с много метали. Повечето сребърни соли са слабо разтворими във вода, а всички разтворими съединения са токсични. Технологии за производство на чисто метално сребро.
