Курс лекций Волгоград 2011 (075. 8) Ю 16
жүктеу/скачать 8.66 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 5.7. Отжиг для снятия внутренних напряжений
- Лекция 6 . Элементы зонной теории твердых тел
5.6. РекристаллизацияПластическая деформация сопровождается накоплением дефектов в структуре материалов. Прежде всего, повышается плотность дислокаций. Кроме того, поля упругих напряжений, окружающие дислокации, заставляют дислокации не только скользить, но и переползать, что приводит к увеличению концентрации точечных дефектов. Поскольку кристаллическая решетка при пластической деформации искажается, возрастает энергия материала. Таким образом, после пластической деформации материал становится термодинамически неравновесным. При повышении температуры начинается восстановление структуры материала. Это восстановление принято делить на три этапа: возврат, полигонизацию и рекристаллизацию. При возврате происходит снижение концентрации избыточных точечных дефектов – вакансий и межузельных атомов, осуществляемых их стоком к дислокациям и границам зерен. При возврате заметно снижается удельное электрическое сопротивление, а прочность и пластичность не изменяются. Полигонизация – процесс перераспределения дислокаций, приводящий к частичной аннигиляции дислокаций противоположных знаков, а также слияние оставшихся дислокаций в малоугловые границы. Поскольку плотность дислокаций в субзернах снижается, то прочность материала заметно снижается, а пластичность повышается. Рекристаллизация – это процесс замены одних зерен данной фазы другими зернами той же фазы с меньшей энергией. При этом в деформированном материале зарождаются и растут новые зерна, свободные от дислокаций. Для образования новых зерен требуется формирование большеугловых границ. Для формирования большеугловых границ, помимо высокой плотности дислокаций, необходима их высокая подвижность. В этом случае процессы переползания и скольжения дислокаций приведут к возрастанию плотности дислокаций в дислокационных стенках, плотность дислокаций в них возрастет и дислокационные стенки трансформируются из малоугловых границ в большеугловые. Для технически чистых металлов температура начала рекристаллизации составляет 0,4 от температуры плавления по шкале Кельвина, температура полигонизации 0,2–0,3 Тпл, а возврат развивается уже при температурах меньших 0,2 Тпл. Процессы полигонизации и рекристаллизации являются конкурирующими. Если процесс аннигиляции дислокаций преобладает над процессом выстраивания дислокаций в стенки, то плотность дислокаций в стенках становится низкой и формируются малоугловые границы. В этом случае развивается полигонизация. В противном случае развивается рекристаллизация. Развитие рекристаллизации также обусловлено внешними условиями. При этом в зависимости от того, какой процесс является термодинамической движущей силой, и от того, какая структура формируется, принято различать первичную, собирательную и вторичную рекристаллизацию. Первичная рекристаллизация – это образование и рост новых зерен в деформированном материале. Термодинамической движущей силой этого процесса является уменьшение запасенной энергии за счет снижения плотности дислокаций. После завершения первичной рекристаллизации может начаться собирательная рекристаллизация – процесс роста одних зерен за счет других. Движущей силой этого процесса является уменьшение поверхностной энергии границ. Обычно при собирательной рекристаллизации рост зерен идет с замедлением и останавливается при достижении некоторого размера зерен, характерного для каждой температуры и каждого материала. Вторичной рекристаллизацией называют рост зерен с минимальной энергией за счет соседних зерен. Поскольку растут благоприятно ориентированные зерна, то в материале формируется кристаллографическая текстура – наличие совпадающих кристаллографических направлений в кристаллических решетках соседних зерен. После завершения вторичной рекристаллизации в материале формируются аномально крупные зерна.
Для уменьшения остаточных напряжений изделия нагревают, поскольку при повышении температуры подвижность атомов повышается и развивается микропластическая деформация. Температура нагрева как правило невелика – стальные и чугунные изделия нагревают до 450–600 °С, а изделия из сплавов меди до 250–300 °С. Однако отжиг для снятия внутренних напряжений является дорогой операцией, поскольку скорость нагрева должна быть небольшой, так же, как и скорость охлаждения. Таким образом, отжиг для снятия напряжений требует больших затрат времени. Лекция 6. Элементы зонной теории твердых телЗонная теория твердого тела – это теория валентных электронов, движущихся в периодическом поле кристаллической решетки. У отдельных, не взаимодействующих друг с другом атомов электроны могут занимать вполне определенные энергетические уровни, определяемые набором квантовых чисел: главного n, азимутального l, магнитного m, спинового s. Часть этих энергетических уровней заполнена, а часть свободна. На свободные энергетические уровни электроны переходят лишь при возбуждении (рис. 6.1). Возбужденные электроны стремятся к минимуму энергии и, переходя на уровни с минимальной энергией, излучают кванты электромагнитного поля – фотоны. Если имеется система из множества удаленных друг от друга одинаковых атомов (газообразное вещество), то взаимодействие между электронами отсутствует и энергетический спектр атомов такой же, как и у одиночного атома. Рис. 6.1. Схема расположения энергии энергетических уровней для одиночного атома и неметаллического кристалла При конденсации газа в жидкость или в твердое тело расстояния между атомами резко сокращаются и электроны соседних атомов начинают взаимодействовать друг с другом. В соответствии с принципом Паули, на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причем спиновые магнитные моменты этих атомов должны быть противоположно направленными. Поэтому энергетические уровни расщепляются на подуровни и образуют энергетические зоны. Разница в энергии соседних подуровней составляет примерно 10-22 эВ. Отметим, что средняя энергия тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке при комнатной температуре примерно 0,03 эВ. Следо-вательно, энергетические зоны являются практически сплошными. Очевидно, что расщепление происходит как энергетических уровней, заполненных электронами, так и свободных энергетических уровней. В ходе расщепления отдельных энергетических уровней некоторые энергетические зоны могут перекрываться. При перекрытии заполненных и свободных энергетических зон электрон может менять свою кинетическую энергию, а следовательно, может двигаться. В том случае, когда заполненная и свободная энергетическая зоны не перекрываются, электроны не могут менять кинетическую энергию и не могут перемещаться. В последнем случае между свободной энергетической зоной и заполненной энергетической зоной появляется зона запрещенных значений энергии. При перекрытии свободной энергетической зоны с заполненной зоной мы имеем дело с проводниками. В случае, когда зона запрещенных значений энергии велика (более 5 эВ) и электрон не может преодолеть ее за счет термического возбуждения, речь идет о диэлектриках. Если зона запрещенных значений энергии невелика, то материал является полупроводником (рис. 6.2). 
Рис. 6.2. Энергетическое отличие диэлектриков от полупроводников и металлических проводников с точки зрения зонной теории твердого тела: 1 – заполненная электронная зона; 2 – зона свободных энергетических уровней; 3 – запрещенная зона
Диэлектрическими принято называть материалы, имеющие низкую плотность подвижных носителей заряда (ионов и электронов), поэтому удельное электрическое сопротивление таких материалов в 1012–1025 раз выше, чем у проводниковых материалов. Очевидно, что диэлектрическими являются материалы с ковалентной, поляризационной или ионной связью между атомами, причем последние только в твердом состоянии. Кроме того, энергия возбуждения электронов на уровне проводимости превосходит 5 эВ. По агрегатному состоянию диэлектрики бывают твердыми, жидкими и газообразными. По происхождению диэлектрики могут быть естественными и искусственными, органическими и неорганическими. По электрической структуре все диэлектрики можно разделить на неполярные и полярные. У неполярных диэлектриков в отсутствии внешнего поля собственный дипольный момент структурных единиц (атомов, молекул, элементарных кристаллических ячеек) равен нулю. У полярных диэлектриков собственный дипольный момент структурных единиц отличен от нуля и в отсутствии внешнего поля. В свою очередь, полярные диэлектрики могут быть параэлектрическими и сегнетоэлектрическими. У параэлектриков дипольные моменты структурных единиц распределены по разным направлениям хаотически и суммарный дипольный момент даже небольшого объема равен нулю. У сегнетоэлектриков дипольные моменты ориентированы параллельно и суммарный дипольный момент малых объемов не равен нулю. При помещении диэлектрика в электрическое поле в нем развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропроводность. Развитие основных процессов может, в свою очередь, привести к ряду дополнительных процессов: к потере энергии электрического поля в диэлектрике и пробою диэлектрика. Рассмотрим влияние внешних условий на развитие основных процессов в диэлектриках. жүктеу/скачать 8.66 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
