Химия твердого тела Дислокации Лекция 4 Химический факультет ННГУ 4 курс Федосеев Виктор Борисович профессор кафедры физического материаловедения физического. - презентация

1 Химия твердого тела Дислокации Лекция 4 Химический факультет ННГУ 4 курс Федосеев Виктор Борисович профессор кафедры физического материаловедения физического факультета ННГУ

2 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 2 Повторение Неточечные дефекты в твердом теле. - би- три- тетра- …вакансия; - вакансионный диск Как и что сохраняется в дефектном кристалле? Квазихимические реакции с участием вакансий

3 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 3 Материалы по теме 1.МГУ, Факультет Наук о Материалах fmg.inorg.chem.msu.ru курс «Реальная структура твердого тела» Лекция 4. Дислокации и дислокационные реакции 2. Фридель Ж. Дислокации. 3. Лоте и Хирт Теория дислокаций.

4 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 4 Группа вакансий, находящихся в соседних узлах кристаллической решетки, Расположенных в одной атомной плоскости двумерный дефект Вакансионный диск

5 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 5 дислокации Рождение дислокационной петли при схлопывании вакансионного диска Краевая дислокация

6 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 6 дислокации Рождение дислокационной петли при схлопывании вакансионного диска Краевая дислокация Винтовая дислокация Во всех случаях можно указать, какое число атомов надо переместить в кристалле для создания нужного дефекта Как быть в случае винтовой?

7 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 7 2 краевые 2 винтовые Линия дислокации всегда замкнута!!! Краевые, винтовые и смешанные дислокации могут либо продолжать друг друга, либо обрываться на поверхности кристалла или зерна Смешанные дислокации соединяют винтовые с краевыми

8 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 8 Стехиометрическое число дефекта – это минимальное количество атомов, перемещением которых в идеальной кристаллической решетке можно получить соответствующий дефект Условие сохранения вещества: При любых изменениях дефектной структуры кристалла количество атомов (молекул) в кристалле остается неизменным

9 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 9 Как найти дислокации?

10 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 10 Как найти дислокации?

11 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 11 Какие дефекты есть здесь?

12 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 12 Как движутся дислокации Просмотр видео ролика "Деформация плота пузырьков" ( ) Скольжение сохраняется стехиометрическое число дислокации, плоскости скольжения переползание не сохраняется стехиометрическое число дислокации, испарение и конденсация вакансий

13 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 13 Вектор Бюргерса вектор, соединяющий конечную и начальную точки контура Бюргерса мера пластических искажений кристаллической решётки Вектор Бюргерса отличается от нуля при при наличии в кристалле неточечных дефектов дислокаций, дисклинаций, границ зерен, включений и пор Дислокация – носитель пластической деформации

14 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 14 Поле напряжений вокруг дислокаций Винтовая дислокация Краевая дислокация

15 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 15 Ядро дислокации 1) Вклад энергии ядра дислокации в общую энергию близок к 10 %. основной вклад в энергию дислокаций вносит поле упругих напряжений. 2) Энергия дислокации в пересчете на один параметр решётки E ~ 0.5Gb 3 ~3 эВ.

16 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 16 ?

17 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 17 Классификация дислокаций По углу между b и I (I - линия дислокации)краевые (bl);винтовые (bl);смешанные [0 °< ( b,l)

18 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 18 Классификация дислокаций Полные (единичные) трансляция на величину b = а (тождественное состояние). Частичные (неполные=Дислокации Шокли) трансляция на величину b < a (нетождественное состояние). Ломер Котрелла. Взаимодействие двух движущихся во взаимно пересекающихся плоскостях расщепленных дислокаций дает V-образную дислокацию.

19 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 19 Дислокация (петля) как компонент термодинамической системы b – вектор Бюргерса Энтропия образования - ??? (оценка Котрелла) Объем Энергия образования Энергия Гиббса взаимодействие с другими дефектами – коалесценция, конденсация, диспропорционирование, диссоциация движение – скольжение, переползание Стехиометрическое число

20 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 20 посчитать энергию моля петель R=10 нм модули сдвигаbK Cu кг/мм A0.35 Al кг/мм A0.34 Ni кг/мм A0.32 Дислокация является термодинамически неравновесным дефектом и не может возникнуть самопроизвольно в результате термических флуктуаций как вакансия… ?

21 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 21 Плотность дислокаций Какая размерность лучше длина линий на см 3 [см -2 ] или штук на см -3 [см -3 ]? Плотность при которой материал можно считать аморфным см -2

22 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 22 Расчет равновесной плотности дислокаций i – химический потенциал дефекта n i – количество частиц x i – мольная доля части – стехиометрическое число дефекта для решения системы необходимо найти и иметь зависимость Условный минимум свободной энергии дефектов – метод Лагранжа

23 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 23 Стандартный химический потенциал петель С ростом размера частиц энергия образования убывает Энергия образования зависит от давления P, так как дислокация имеет собственный объём В пересчете на г-атом кристалла стандартный химический потенциал образования дефекта является функцией упругих и геометрических характеристик материала, давления, формы дефекта и стехиометрического числа дефекта

24 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 24 Распределение по размерам дефектов С ростом температуры плотность дислокационных петель растет, а их средний размер уменьшается с ростом давления плотность дислокационных петель уменьшается, средний размер растет

25 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 25 Взаимодействие Притягиваются с противоположным вектором сдвига, лежащие в одной плоскости скольжения, при сближении уничтожают друг друга (аннигиляция). Если лежат в разных плоскостях скольжения, для аннигиляции требуется переползание Отталкиваются с одинаковым b. ?

26 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 26 Взаимодействие Притягиваются с одинаковым b, лежащие в в разных плоскостях скольжения Что это? Стенка дислокаций Результат = разориентировка блоков и зерен – граница зерна

27 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 27 Дислокация – носитель пластической деформации Дислокации вступают в квази химические реакции так же как точечные дефекты, образуя кластеры и дефекты другого типа – дисклинации, границы зерен, поры

28 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 28 Дислокация и точечные дефекты Энергетически выгодное расположение точечных дефектов вблизи дислокации: более мелкий атом - примесь замещения (1), более крупный атом - примесь замещения (2), атом внедрения (3) Cottrell atmosphere. атмосфера Коттрелла облако Коттрелла = примесные атомы собранные вблизи ядра дислокаций Энергия взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию можно предположить пространственно- неоднородное по составу распределение примесей в облаке Коттрелла

29 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 29 новое качество У крупных дефектов дислокаций, дисклинаций, границ зерен, пор есть свойства необычные для химических компонентов Они могут перемещаться в твердом теле с огромной скоростью !

30 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 30 Задача Дислокации вступают в квази химические реакции так же как точечные дефекты, образуя кластеры и дефекты другого типа – дисклинации, границы зерен, поры В алюминии есть пора объемом 20 нм 3. 1)Предложить разные варианты реакции залечивания этой поры и написать количественные соотношения 2)Какие надо создать условия для реализации предложенных процессов залечивания поры Похожая задача "по-серьезному": в материале реактора под действием излучения -частиц образуются поры, наполненные гелием, как с этим бороться?

31 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 31 оценка для пор Влияние температуры ( К) на количество и размеры пор (вакансионных), оценка для Cu подробности утеряны, как это повторить?

32 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 32 оценка для пор и включений распределение по размерам Как изменятся закономерности для газовых пор, твёрдых и жидких включений? ?

33 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 33 Энергия, запасенная (stored energy) в поликристалле В наноматериалах энергия запасена не только в границах зерен, а в дефектной структуре самих зерен

34 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 34 Из вопросов на экзамене по ХТТ Какова зависимость концентрации тепловых дефектов от температуры твердого тела? (+неточечных) Выведите формулу зависимости равновесной концентрации собственных дефектов от температуры и парциального давления компонентов бинарного соединения. Какова природа дефектов не стехиометрии и условия их формирования в твердом теле? Как отображаются явления нарушения стехиометрии на Р-Х, Р-Т, Т-Х- диаграммах? Чем определяется область гомогенности твердого тела?

35 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 35 Из программы курса ХТТ Взаимодействие дефектов в кристаллах. Ассоциаты, природа их возникновения. Взаимодействие нейтральных дефектов. Физико-химические основы управления процессами ассоциации. Особенности процессов образования ассоциатов в нестехиометрических кристаллах. Равновесие между элементарными ионизированными дефектами и нейтральными ассоциатами. Термодинамические условия возникновения ассоциатов в нестехиометрическом кристалле. Влияние кинетических факторов на протекание интеркристаллических реакций. Закалка дефектов.

36 ХТТ Лекция 4 Дислокации 2010 ХФ ННГУ 36 Задачи Оценить равновесную концентрацию вакансий, бивакансий, три вакансий и тетра вакансий в металле (например Al)