Základy krystalografie kovů a slitin

Základy krystalografie kovů a slitin


Fyzika pevných látek vysvětluje makroskopické vlastnosti pevných látek na základě jejich kvantově mechanického modelu jako souboru velkého množství částic, a to molekul, atomů, iontů a elektronů, které pevné látky vytvářejí.
Základní skupenství látek pevných : tuhé, kapalné, plynné a plazmatické.

Tuhé látky dělíme do dvou skupin:

1. Krystalické látky se stálým pravidelně organizovaným vnitřním uspřádáním svých základních strukturních částic (atomů, molekul, iontů ..), které vytvářejí makroskopické částice - krystaly.
2. Amorfní látky, jejichž vnitřní uspořádání je sice stálé, ale nepravidelné a nahodilé. Strukturně se amorfní látky podobají kapalinám, v nichž náhle ustaly tepelné pohyby částic. Proto jsou někdy posuzovány jako podchlazené kapaliny s extrémně velkou viskozitou.
Krystal – pevné těleso se zákonitou vnitřní stavbou, jejímž odrazem je zevní tvar tělesa. Krystal je pevné těleso s trojrozměrně periodickým rozmístěním základních stavebních částic (atomů, iontů, molekul).
Typickými představiteli krystalických látek jsou kovy :
·       z period. soustavy prvků ¾ jsou kovy – zbytek nekovy
·       veškeré kovy (s vyjímkou Hg rtuti) jsou za normální teploty krystalické a vyznačují se vysokou elektrickou a tepelnou vodivostí – odlišnost od nekovů.
Krystalová buňka kovu je nejmenší úsek krystal. mřížky, na němž je možné prokázat všechny zákonitosti mřížky a jehož periodickým opakováním daná mřížka vzniká. Rozměry krystalových buněk jsou jsou charakterizovány tzv. mřížkovými parametry-mřížková konstanta (nejkratší vzdálenost atomů v daných směrech) -a, b, c. K specifikaci uspořádání atomů ve struktuře se obvykle udávají jejich souřadnice - a, b, g, vzhledem k systému souřadných (krystalografických) os, tak že počátek leží v některém z uzlových bodů prostorové mřížky.
Krystalové osy:


Typy krystalových strukturních mřížek
V kryst. látkách-kovech jsou atomy rozloženy v prostoru pravidelně podle určitého geometr. pořádku a vytvářejí krystalovou mřížku. Podle úhlů os a poměrných délek úseků na osách je možno zařadit každou krystal. mřížku do jedné ze 14 prostor. mřížek (Bravaisovy), které vznikají dalším členěním uvnitř 7 zákl. soustav :

trojklonná, jednoklonná, kosočtverečná, čtverečná, šesterečná, klencová, krychlová

Krystaly kovů se vyznačují tím, že atomy se uspořádávají v prostoru vesměs těsně, takže se vzájemně dotýkají. Takové uspořádání umožňují je prostorové mřížky s vysokou souměrností, mezi něž patří především krychlová plošně nebo prostorově středěná mřížka a šesterečná těsně uspořádaná mřížka.

Geometrie krystalů
a/ jednoduchá(prostá, primitivní) – na elementární buňku připadá 1 částice (atom), v každém rohu elementární buňky je 1 atom, který je společný vždy osmi buňkám.
b/ bazálně středěná – elementární buňka má 1 atom v každém rohu a navíc po 1 atomu ve středu spodní a horní základny, tzn., že na elementární buňku připadají 2 atomy
c/ prostorově středěná – má po 1 atomu v rozích elementární buňky a 1 atom v jejím středu, tzn., že na elementární buňku připadají 2 atomy
d/ plošně středěná – má v elementární buňce po 1 atomu v každém rohu a po 1 atomu uprostřed každé stěny, na elementární buňku tedy připadají 4 atomy.



Technické kovy    krystalizují ve 3 ze 14 krystalografických mřížek
- dvou krychlových (kubických) - prostorově a plošně centrované a šesterečné (hexagonální).
V literatuře se používá několika ekvivalentních označení :
bcc (body centred cubic) = kubická stereocentrická = krychlová tělově středěná = kubická prostorově středěná   - Feα, Cr, Mo, W, Na
fcc (face centred cubic) = kubická planicentrická = krychlová plošně středěná = kubická plošně středěná    - Feγ, Al, Cu, Pb, Au, Ag, Ni
hcp (hexagonal closed packed) = hexagonální - šesterečná těsně uspořádaná      - Zn, Ti, Be, Mg, Cd

Železo je polymorfní kov – vyskytuje se za normálního tlaku ve třech modifikacích α , g  a  d
Železo α - je nízkoteplotní modifikace, má mřížku kubickou prostorově centrovanou – vrcholy krychle a střed krychle (9 bodů)
železo g - je prvně překrystalizováno při teplotě asi 910°C a má mřížku kubickou plošně centrovanou – vrcholy krychle a středy stěn (14 bodů).
železo δ - při vyšších teplotách dojde k další překrystalizaci a mřížka je opět stereocentrická; od nízkoteplotní modifikace se liší větším mřížkovým parametrem.

         Feα                                                                       Feγ                   

Při studiu dějů probíhajících v kovech (fázové přeměny, plastická deformace, krystalizace, apod.) je nutno jednoznačně charakterizovat v krystalové buňce nebo mřížce určitou krystalografickou rovinu nebo směr. K tomu se používají tzv. Millerovy indexy (h k l).
Nedokonalosti skutečné mřížky

V pravidelném uspořádání atomů v prostoru totiž vzniká během krystalizace kovu, při jeho chladnutí, či v průběhu jeho dalšího technol. zpracování řada nedokonalostí, které nazýváme souborně „mřížkové vady“. Pro vytvořené vady (porušení pravidelnosti mřížky) je potřeba určitého množství energie. Skutečný krystal obsahující mřížkové vady má tedy vyšší vnitřní energii než dokonalý ideální krystal.

Poruchy :    - krátkodobé-trvání<ms(kvazičástice - excitony, fonony,.. - hlavním zdrojem narušení přísně periodické výstavby krystalu jsou vlastní tepelné kmity krystalové mřížky. Protože jsou atomy v mřížce navzájem pevně vázány, nemohou se navzájem nezávisle pohybovat, tj. nemohou vykonávat navzájem nezávislé kmitavé pohyby. Vzhledem k vazbám se proto kmity všech atomů v krystalové mřížce šíří, odrážejí se a navzájem superponují, takže vzniká jejich stojaté vlnění. Proto hovoříme o kmitech celé mřížky, které jsou projevem tepelného pohybu jejích členů
- statické(bodové - místa v krystalové mřížce, které vzniknou tím, že atom, ion, opustí své místo v mřížce a stane se intersticiálním ato-mem, iontem je v mezimřížkovém prostoru, v mezimřížkové poloze, čárové, plošné, objemové)

Porucha – odchylka od ideální periodické krystalové struktury (odchylky od pravidelného geometrického uspořádání atomů v uzlových bodech krystalické mřížky).

Dle geometrického tvaru lze poruchy dělit:

1.Bodové poruchy:
-vakance
-intersticiály
2.Čarové poruchy:
dislokace (hranové, šroubové)
3.Plošné poruchy(dvojrozměrné):
4.Prostorové poruchy (trojrozměrné):
-vrstevné chyby
-hranice bloků
-hranice zrn
-monokrystaly a polykrystaly




1 Bodové poruchy

Vakance (neobsazený uzel- chybí atom) není vázaný na jedno místo, ale může se (např. vlivem teploty pohybovat krystalem – migrace vakancí

Intersticiální atom - atom je uložen mimo vlastní polohu(i cizí atom) - byla dodána dostatečná energie na vytržení částice z uzlového bodu a umístěna do intersticiální polohy. Původní uzel zůstal neobsazen a současně vznikla vakance.

Substituční atom – atom dané látky je nahrazen cizím atomem (příměsových prvků umístěné v uzlovém bodě mřížky, kde nahrazují základní mřížkový atom)
Frenkelova porucha – komplex vakance a intersticiální částice v sousední poloze

Schottkyho porucha – v iontovém krystalu jde o chybějící dvojici kationu a sousedního aniontu (atom z vnitřní polohy na povrch)



Druhy bodových poruch: a – vakance, b – vlastní intersticiál, c – intersticiál příměsi,    d – substituční atom příměsi.

Vznik vakancí:
-        zahřátí na vysoké teploty(cca o 100°C nižší než teplota tání) a prudké ochlazení na velmi nízkou teplotu
-        ozáření kovu částicemi o vysokých energiích
-        plastická deformace-bodové poruchy se vytvoří díky pohybu dislokací

Rovnovážná koncentrace bodových poruch je tepelně závislá dle :

BODOVÉ PORUCHY MAJÍ ZNAČNÝ VLIV NA FYZIKÁLNÍ I MECH. VLASTNOSTI.
2. Čarové poruchy mřížky - dislokace definujeme jako místní nedokonalosti mřížky způsobené vysunutím atomů z pravidelných poloh v krystalové mřížce. Rozeznáváme dva druhy dislokací - hranové a šroubové.
Dislokační teorie skluzu předpokládá , že skluz neprobíhá rovinou skluzu současně jako posun dvou tuhých celků, ale že skluz se rovinou skluzu postupně šíří. Čelo šířícího skluzu představuje určitou čárovou poruchu – dislokaci.

Hranová dislokace je charakterizována existencí nadbytečné poloroviny atomů buď nad nebo pod skluzovou rovinou, čímž v daném bodě k deformaci mřížky. Vklíněná polorovina (krystal se vůči deformaci chová nejdříve elasticky, od určité hodnoty napětí se deformuje nevratně – plasticky). Vrstvy atomů se posune o celou mřížkovou translaci. Leží-li nadbytečná polorovina nad skluzovou rovinou-kladná hranová dislokace (^), opačně záporná hranová dislokac(┬). Dislokace stejné parity se odpuzují - opačné přitahují (spojením + a – hranové dislokace dojde k likvidaci dislokací a vzniká nedeformovaná krystalografická mřížka.


Průmět nadbytečné polorovinydo rovinu skluzu- dislokační čára. Nejdůležitější vlastností dislokace je Burgersův vektor, charakterizující směr a velikost posunu atomů ze základních poloh v důsledku existence dislokace - b a je to vektor nutný k tomu, aby byla uzavřena Burgersova smyčka vedená kolem hranové dislokace.
Pro hranovou dislokaci je typické Burgersův vektor je kolmý k dislokační čáře. Má-li dojít k pohybu dislokace-musí B.v. i dislok. čára ležet v rovině, v níž má ke skluzu dojít.

Šroubová dislokace (ïï) – zárodek roste ve všech směrech stejně rychle (šroubový chod). Vznik je možno si představit tak, že krystal rozřízneme a jednu část krystalu posuneme podle roviny řezu. Jestli je šroubová dislokace ve směru hodinových ručiček označujeme ji pravotočivou a opak levotočivou.


 
3.Plošné poruchy
– v porovnání s předešlými poruchami představují plošné poruchy složitější porušení krystalové mřížky, které zasahuje větší objem kovu.
Vrstvené chyby – krystal kovu je složen z jednotlivých atomových rovin, kterése na sebe vrství v určitém pořadí a jsou na sebe vázány vazebnými silami. Vrstvenou chybou rozumíme poruchu, kdy je tato pravidelnost v uspořádání jednotlivých atomvých rovin porušna. Vznikají :
-        skluzem některé roviny
-        vyjmutím jedné roviny
-        oddálením horní části krystalu a vložením další vrstvy


Hranice podzrn(bloků) – krystaly nemají v celém svém objemu stejnoui orientaci mřížek, ale skládají se z malých objemů(bloků), které jsou vůči sobě natočené o malé úhly.Vznikají rovnoměrným nakupením hranových dislokací, jež jsou vloženy mezi sousední podzrna (bloky).

Hranice zrn –hranice s velkými úhly-velkoúhlé. Mají vysokou koncentraci bodových a čarových poruch, tzn. oblastí s výrazným porušením pravidelnosti krystalické stavby. Mechanické a chemické vlastnosti hranic zrn jsou odlišné od vlastností samotných zrn. Při plastické deformaci jsou hranice zrn výraznými překážkami pohubu dislokací- změna mechanických vlastností. Při krystalizaci jsou přednostními místy vzniku zárodku.


Monokrystaly a polokrystaly – rozdělení mřížkových poruch v objemu nebývá stejnosměrná. Orientace mřížky u technických kovů a slitin nebývá v celém objemu jednotná. V jejich objemu lze vymezit oblasti, které mají rozdílnou orientaci mřížky. Kov je složen z většího počtu drobných krystalů, které jsou navzájem spojeny - zrna. Kov složený z určitého počtu zrn je polokrystal. Když je orientace mřížky v celém kusu jednotná – monokrystal.

Žádné komentáře:

Okomentovat

Kinematika PRaM, základní typy

  Kinematika PRaM, základní typy PRaM dělení podle kinematiky  – podľa skladby hlavnýchôs TTT    -  základný typ kinematiky a využívá se při...