Дефекты кристаллической решетки
Дефекты кристаллической решетки – это нарушения идеальной периодичности и симметрии в строении решетки, а также отклонения строения от идеальной структуры.
Кристаллическое строение вещества характеризуется закономерным порядком расположения частиц в кристаллической решетке, периодически повторяющимся и соответствующим самому маленькому значению энергии системы, что в свою очередь согласуется с наличием дальнего и ближнего порядка. Кристаллическая структура с описанным размещением частиц - идеальный кристалл. Дефекты кристаллической решетки возникают во время роста кристалла вследствие наличия примесей и неравномерности условий роста, а также из-за влияния тепловых и механических воздействий, электрических и магнитных полей или из-з действия ионизирующего излучения. Дефекты кристаллической решетки классифицируются по следующим признакам:
- Происхождение. Согласно данному признаку дефекты кристаллической решетки делятся на макродефекты, к которым относятся ускорение молекул газа, трещины и ускорение маточного раствора, и микродефекты, к которым относятся нарушения в периодичности расположения частиц в кристаллической структуре.
- Природа. Согласно данному признаку дефекты кристаллической решетки делятся на атомные и электронные. К электронным дефектам кристаллической решетки относятся избыточные электроны проводимости в кристалле и незаполненные валентные связи - положительные дырки. Для кристаллов, находящихся в равновесном состоянии, число электронов проводимости и положительных дырок равно. При некоторых условиях количество положительных дырок и электронов проводимости может не совпадать, такое состояние наблюдается в полупроводниках.
Атомные дефекты кристаллической решетки
В зависимости от размеров атомные дефекты кристаллической решетки делятся на:
- объемные,
- поверхностные,
- точечные,
- дислокации или линейные.
Точечные дефекты кристаллической решетки могут связаны либо с отсутствием атома в узле кристаллической решетки, либо с появлением лишнего атома. Данные дефекты могут существовать в виде проникновения чужеродных ионов или атомов в кристаллическую решетку - дефект замещения, в виде вакансий или в виде смещения частицы из узла кристаллической решетки в пространство между узлами - дефект ускорения.
Линейные дефекты возникают в местах, где обрываются плоскости кристаллической решетки - краевые дислокации, в случае последовательного соединения точечных дефектов - цепочка дислокаций или при закручивании краевых плоскостей - винтовые дислокации. Поверхностные дефекты имеют небольшие размеры только в одном измерении. Данные дефекты образуются между двумя кристаллическими поверхностями, повернуты и смещены относительно друг друга. Объемные дефекты кристаллической решетки представляют собой нагромождение пор, пустот, вакансий и каналов внутри кристалла.
Восстановление кристаллической решетки
Рекристаллизация – это способ термической обработки материалов, результатом которого является повышение структурного совершенства и уменьшение энергии материала в пределах данной фазы.
Процесс рекристаллизации осуществляется благодаря возникновению, движению и исчезновению границ с большими углами разориентировки. Особенно интенсивно данный процесс протекает в пластически деформированных материалах. Состав вещества влияет на величину температуры рекристаллизации. Температура ее начала определяет температурный уровень разупрочнения материала и снижается с увеличением степени деформации и продолжительности отжига.
Существует всего три этапа рекристаллизации: первичная, собирательная и вторичная. Первичная сопровождается образованием новых кристаллитов в деформированном теле. На данной стадии происходит формирование областей, которые свободны от дислокаций и более совершенные, чем окружающая матрица. Собирательная рекристаллизация сопровождается увеличением средней величины зерна благодаря росту неискаженных зерен за счет друг друга. Основная движущая сила данного процесса - стремление к уменьшению энергии зерен благодаря уменьшению их протяженности. При вторичной рекристаллизации отдельные зерна приобретают возможность расти с существенно большей скоростью, чем остальные, таким образом они играют роль вторичных центров, в то время, когда при собирательной рекристаллизации такие зерна отсутствуют. В процессе вторичной рекристаллизации структура материала характеризуется разнозернистостью.
Благодаря рекристаллизации устраняются структурные дефекты, изменяется кристаллографическая ориентация и изменяются размеры зерен. Также, при помощи данного процесса, можно управлять текстурой. Ориентация зерен, подвергшихся процессу рекристаллизации, может повторять структуру исходного деформируемого материала или существенно отличаться от нее. При помощи рекристаллизации можно устранить текстуру деформации и сделать материал изотропным. Все изменения текстуры материала происходят во время первичной и вторичной рекристаллизации. Особое значение имеет процесс образование текстуры при рекристаллизации электротехнических и трансформаторных сталей.
Рекристаллизационный отжиг может быть применен, как предварительная, промежуточная или окончательная термическая обработка. В качестве предварительно он применяется перед холодной деформацией, в том случае, когда исходное состояние материала - неравновесное состояние или уже имеет какую-либо степень упрочнения. В качестве промежуточной термической обработки он применяется между операциями холодной деформации.
