Дефекты кристаллических решеток и способы их восстановления.

Введение

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального материала характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материала.
Теоретические расчёты свойств материалов, построенные на предположении об идеальном расположении атомов в пространственной решётке, существенно отличаются от свойств, полученных на реальных кристаллах. Оказалось, что дефекты кристаллической решётки оказывают решающее влияние на прочность, пластичность и другие свойства металлов и сплавов.
По геометрическому признаку дефекты подразделяют на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объёмные (трёхмерные).
Восстановление металлов из кристаллических оксидов является одним из важнейших процессов металлургии. Оно предшествует плавлению при выплавке чугуна и ферросплавов, протекает при получении агломерата, металлизованных брикетов и окатышей, а также металлизации руд другими процессами.
Несмотря на огромное практическое значение реакций твердофазного восстановления, они до сих пор остаются недостаточно изученными. Так, наблюдаемая на практике скорость восстановления металлов из твердых оксидов твердым углеродом при одинаковой температуре несоизмеримо больше скорости окисления и не соответствует чрезвычайно малой площади контакта твердых материалов, а также экспериментально определяемой скорости диффузии реагентов в твердых телах.

Исходя из этого, еще в 1885 г. Л. Грюнером была выдвинута, а позже в трудах И.А. Соколова, А.А. Байкова, М.А. Павлова и других развита двухстадийная схема прямого восстановления.
Целью этой работы является рассмотрение дефектов кристаллических решеток и способы их восстановления.
Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи:
- рассмотреть дефекты кристаллических решеток;
- изучить объёмные дефекты кристаллической решетки;
- проанализировать способы восстановления дефектов кристаллических решеток.


Дефекты кристаллических решеток

Дефекты кристаллических решеток – это всякие отклонения от строгой периодичности, которой определяется данная кристаллическая решетка.
Их можно подразделить на макроскопические и микроскопические. К макроскопическим дефектам относятся поры, трещины, инородные макроскопические включения и пр. Ко вторым относят микроскопические отклонения от периодичности, которые могут быть точечными и линейными.

Рис. 1 - Дефекты кристаллической решетки:

а - вакансия; 
б - дислоцированный(внедрившийся) атом.
Наиболее простыми микроскопическими дефектами являются точечные дефекты.
К ним относятся:
1) отсутствие атома в каком – либо узле решетки;
2) замена «своего атома» решетки каким – либо другим «чужим» атомом;
3) внедрение своего или чужого атома в межузельное пространство.
Вакансии – это когда в узле отсутствует атом.
Вакансии являются важнейшим, наиболее распространённым видом точечных дефектов. Вакансия представляет собой узел решётки кристалла, в котором отсутствует атом или ион металла. В плотноупакованных металлах образование вакансий по сравнению с другими дефектами решётки требует наименьшей энергии. Поэтому в условиях теплового равновесия вакансии преобладают. Вокруг пустого узла или атома в междоузлии решётка искажается.
Вакансии образуются при облучении металла ядерными частицами, при закалке, при пластической деформации вследствие некомпенсированной диффузии элементов и т.д. При облучении атом может выйти из узла решётки в междоузлие из-за получения высокой энергии при ударе. Наиболее легко образуются тепловые вакансии, когда атом поверхностного слоя приобретает избыток энергии от соседней и легко испаряется от кристалла. Через некоторое время на место атома поверхностного слоя переходит атом из соседнего более глубокого слоя.
Так образуется вакансия, которая переходит в глубь кристалла. Источником вакансий являются свободные поверхности кристалла, поры и трещины внутри него, границы зёрен, а также взаимодействие движущихся дислокаций. Указанные места являются источниками вакансий в случае, если кристалл ещё не насыщен ими. Если же кристалл пересыщен вакансиями, то в указанные места стекаются и исчезают вакансии. Это наблюдается при закалке. При случайных столкновениях вакансии объединяются в пары, они более подвижны и устойчивы, чем одиночные вакансии. Присутствие вакансий в кристаллической решётке металлов обеспечивает атомам достаточно высокую подвижность и способствует формированию новых фаз при достижении определённой концентрации атомов в тех или иных участках кристаллов.
Вакансии взаимодействуют не только друг с другом, но и с другими дефектами - межузельными атомами, дислокациями, с атомами примесей и т.д.
Замещение – в узле кристаллической решетки находится атом другого сорта.
Внедрение – атом находится там, где его быть не должно, т.е. в между узельном пространстве.
Все эти дефекты нарушают ближний порядок в кристаллах, не затрагивая дальний.
Линейные дефекты нарушают дальний порядок, например:
Дислокация – это специфические линейные дефекты кристаллической решетки, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей. Различают два главных типа дислокаций: краевую и винтовую.
Важнейшим видом линейных дефектов являются дислокации. Дислокации представляют собой такие дефекты, движение которых вызывает пластическую деформацию кристаллов при напряжениях, существенно меньших теоретической прочности на сдвиг. Дислокация ограничивает поверхность, на которой произошёл сдвиг. Такая дислокация называется краевой.
Краевая дислокация – сводится к появлению лишней атомной плоскости, как бы сдвинутой.
Краевая дислокация характеризуется вектором Бюргерса или сдвиговым вектором смещения. Он является мерой искажения кристаллической решётки, вызванного наличием дислокации, определяет величину и направление смещения атомов и является главной количественной характеристикой дислокации. Для оценки степени искаженности решётки, вызванной наличием дислокации, сравнивается несовершенный кристалл, содержащий дислокацию, с совершенным кристаллом

. С этой целью строят контур Бюргерса.
Это замкнутый контур произвольной формы, построенный в реальном кристалле путём последовательного обхода дефекта от атома к атому в совершенной области кристалла. Если в реальном кристалле контур, содержащий та кое же количество одинаковых шагов, как и в идеальном кристалле, не замыкается, то величина вектора, необходимая для замыкания контура в реальном кристалле, является вектором Бюргерса. Вектор Бюргерса располагается перпендикулярно линии краевой дислокации.
Кроме краевой дислокации бывают винтовые и смешанные. Винтовую дислокацию можно получать с помощью операций разрезания и смещения или сдвигом по плоскости скольжения за счёт движения дислокации вглубь от поверхности совершенного кристалла. Если до сдвига кристалл состоял из параллельных горизонтальных атомных слоёв, то после сдвига по плоскости структура кристалла превратилась в конце плоскости разреза из идеальной в однуатомную плоскость, закрученную в форме геликоида, представляющего собой винтовую дислокацию.
Вектор Бюргерса винтовой дислокации параллелен линии дислокации. У смешанных дислокаций вектор Бюргерса составляет с линией дислокации переменный угол.
У дефектов недислокацонного типа вектор Бюргерса равен нулю. Вдоль всей линии дислокации вектор Бюргерса одинаков и является инвариантом дислокации. Поэтому дислокация не может обрываться внутри кристалла, а обрывается только на границе кристалла или образует замкнутые петли, узлы внутри кристалла.
Винтовая дислокация – образуется в результате скольжения двух атомных полуплоскостей на один период относительно друг друга, начиная с некоторой линии.

Рис. 2. Краевая и винтовая дислокации в кристаллах:

а - краевая дислокация в кристалле как появление лишней атомной плоскости; линия дислокации перпендикулярна плоскости рисунка;
б - винтовая дислокация в кристалле;
- линия дислокации - вертикальная пунктирная линия.
Если вектор Бюргерса равен одному межатомному расстоянию, то дислокации называют единичными, если несколькими, то многократными или дислокациями большой мощности.
Дислокации большой мощности энергетически неустойчивы и распадаются на однократные. Если вектор Бюргерса менее одного межатомного расстояния, то дислокация является неполной (частичной).
Неполные дислокации играют очень большую роль при протекании процессов деформации и упрочнения в металлах с решёткой ГЦК. Дислокации повышают энергию кристалла, увеличивают его Удельный объем и являются центром поля внутренних напряжений в кристаллах. При перемещении дислокации взаимодействуют друг с другом с протеканием дислокационных реакций.
Объёмные дефекты кристаллической решетки

К объёмным, или трехмерным дефектам кристаллической решетки относятся трещины и поры. Наличие трещин резко снижает прочность как материалов на металлической основе, так и неметаллических материалов. Это связано с тем, что острые края трещин являются концентраторами напряжений. Важно отметить, что при одинаковой геометрии трещин пластичность металлических материалов остается выше, чем неметаллических. Природа этого различия состоит в том, что в металлических материалах в области концентрации напряжений облегчается генерация дислокаций, и пластическая деформация материала приводит к затуплению трещин. В неметаллических материалах кристаллическая решетка упакована неплотно, подвижность дислокаций невелика, следовательно, затупление острых краев трещин за счет пластической деформации невозможно.
Присутствие в материале пор также снижает прочность металлических материалов, поскольку уменьшается истинное сечение деталей. В неметаллических материалах влияние пор на свойства материала не столь однозначно. Крупные поры снижают прочность материала, поскольку уменьшается сечение изделий. В то же время мелкие поры могут повышать прочность материалов. Это связано с тем, что при возникновении пор появляется свободная поверхность. У атомов, находящихся на свободной поверхности, количество соседей резко отлично от количества соседей атомов в глубинных слоях материала, следовательно, энергия атомов на поверхности материала повышена. Первая производная поверхностной энергии по расстоянию является поверхностным натяжением. Таким образом, на атомы, находящиеся на поверхности пор, действуют сжимающие напряжения. Неметаллические материалы с ионной или ковалентной связью между атомами хорошо сопротивляются действию сжимающих и плохо противостоят действию растягивающих напряжений. При всех реальных схемах нагружения (например, изгиб) в материале возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При наличии пор сжимающие напряжения на их поверхности компенсируют внешние растягивающие напряжения. Поэтому присутствие мелких пор ведет к росту прочности неметаллических материалов.
Поскольку энергия атомов на поверхности объёмных дефектов повышена, то они являются источником вакансий. При нагреве трещины и поры как бы "испаряются", превращаясь в вакансии. При охлаждении вакансии вновь "конденсируются". При "конденсации" вакансионного "пара" система стремится к минимуму энергии, а следовательно, к минимуму поверхностной энергии. Таким образом, при нагреве и последующем охлаждении острые трещины превращаются в сферические поры, то есть за счет чередования нагрева с охлаждением можно превращать опасные трещины в менее опасные поры.
Уменьшение сечения материала при наличии пор и трещин, а также искажение кристаллической решетки вблизи их поверхности приводит к повышению удельного электросопротивления металлических материалов. В неметаллических материалах наличие объёмных дефектов снижает удельное электросопротивление вследствие повышения подвижности ионов по вакансиям в материалах с ионной связью и облегчения выхода электронов в материалах с ковалентной связью.

Способы восстановления дефектов кристаллических решеток

Из поля зрения исследователей фактически выпало важнейшее звено механизма твердофазного восстановления – изменения в кристаллической решетке оксида и ее превращение в кристаллическую решетку металла