Реальное строение металлических кристаллов и дефекты кристаллической решетки

Задание 1. Выполните задания 4.1.-4.8. рабочей тетради.

 

Способы выражения причинно-следственных отношений в научной речи Предлоги Союзы вследствие чего? вследствие того что в связи с чем? поскольку в результате чего? в результате того что по причине чего? в связи с тем что в силу чего? в силу того что Вследствие того что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла. В силу своей доступности и возможности одновременного изучения большой площади изделия макроанализ широко применяется в заводской практике.

Задание 2. Найдите соответствия. Закончите предложения, правильно указав причину или следствие действия.

 

1	Газовые пузыри в литом металле образуются …	а	вследствие выделения газов (оксидов углерода, азота, водорода, монооксида кремния) в период кристаллизации.
2	Газовые пузыри в литом металле образуются в период кристаллизации, …	б	поскольку их растворимость в твердом металле значительно меньше, чем в жидком.
3	Границы зерен оказывают существенное влияние на механические свойства металла, …	в	вследствие того что они препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей.
4	Правильное, закономерное расположение частиц (атомов, молекул) в пространстве характеризует кристаллическое состояние, …	г	в связи с этим в физике кристаллическое состояние и твердое состояние – синонимы.

 

Задание 3. Обратите внимание на применение конструкций со значением местонахождения (расположения) и употребление глагола располагаться / расположиться. Составьте с данными конструкциями несколько предложений.

 

 

что? перпендикулярно чему? что? параллельно чему? что? повернуто как? что? расположено где? как? что? распространяется где?

 

Располагаться / расположиться где? (в центре, на поверхности)   как? (упорядоченно, беспорядочно, хаотично, произвольно, закономерно, в определенном порядке, по периметру (по краям, по углам и др.), перпендикулярно чему?, параллельно чему?)

 

Задание 4. Раскройте скобки, употребив слова в нужном падеже. Там, где необходимо, добавьте предлоги по, на, в, от … до.

 

1. Отрезок АЕ, по модулю равный параметру решетки, принято считать вектором Бюргерса. Он перпендикулярен _________ _____________ (линия дислокации).

 

2. И винтовая, и краевая дислокации – это границы между сдвинутой и несдвинутой частями кристалла, причем краевая дислокация перпендикулярна _________ _____________ (вектор сдвига), а винтовая – параллельна ___ (он).

 

3. Блоки друг по отношению к другу повернуты ___ ______ (угол) от нескольких секунд до нескольких минут, их размер 10^-5 см.

 

4. Атомы расположены ___ _________  _________  _________ (вершины элементарной ячейки) и один – ___ ___ _________  (ее центр).

 

5. На схеме сдвиг распространился ___ _________  _________  _________ (передний край кристалла) ___ _________  _________ (линия АВ), параллельной _________  _________   (силы Р).

 

6. Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстраплоскости, расположенной перпендикулярно _________ ___________ (плоскость чертежа).

 

Задание 5. А. Найдите соответствия, правильно указав условие или цель действия. Б. Подчеркните предикаты.

 

1	При кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений …	а	может быть получен монокристалл.
2	При очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации …	б	используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.
3	Для описания атомно-кристаллической структуры …	в	образуются дислокации.
4	Для упрощения …	г	необходимо знание величин параметров а, b, с и углов между ними , β, γ.
5	Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки	д	пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками.

 

 

Основные способы выражения предиката в научном тексте   Предикат может быть выражен: 1) глаголом в форме 3 л.мн.ч. (они) Решетки Браве подразделяют на семь систем. 2) глаголы с -ся в пассивном значении Решетки Браве подразделяются на семь систем. 3) конструкцией с глаголом связкой быть и именной частью, выраженной кратким пассивным причастием прошедшего времени. В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. 4) конструкцией с глаголом связкой быть и именной частью, выраженной полным или кратким прилагательным. Эти элементарные ячейки могут быть как примитивными, так и сложными. 5) глагол в форме инфинитива, стоящий после глагола в форме 3 л., модального глагола. Изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток. Необходимо / Можно выделить 14 типов кристаллических решеток. Без использования представлений о дефектах реальных кристаллов невозможно изучить явления пластической деформации, упрочнение и разрушение сплавов и др. 6) конструкцией с глаголом связкой быть (в предложении мы употребляем «тире», оно имеет значение «быть», «есть», «это есть») и именной частью, существительным в форме именительного падежа. Периоды решетки – расстояния а, b и с между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки.

 

  Задание 6. Замените предложения синонимичными, используя разные способы выражения предиката.

Образец: Элементарная ячейка кристаллической решетки – это минимальный по объему параллелепипед, перемещением (трансляцией) которого вдоль его ребер можно воспроизвести всю кристаллическую решетку. → Элементарная ячейка кристаллической решетки – это минимальный по объему параллелепипед, перемещением (трансляцией) которого вдоль его ребер может быть воспроизведена кристаллическая решетка.

1. Атомы, ионы или молекулы, из которых состоит кристалл, закономерно расположены в пространстве.

2. При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, его называют монокристаллом.

3. Дефекты идеальной структуры твердых тел оказывают существенное влияние на их свойства.

4. Без использования представлений о дефектах реальных кристаллов невозможно изучить явления пластической деформации, упрочнение и разрушение сплавов и др.

5. Условно подразделяют краевые дислокации на положительные и отрицательные.

6. Протяженность сторон контура выбирается произвольно.

7. В реальном кристалле область сдвига может быть ограничена более сложной, в общем случае криволинейной или смешанной дислокацией.

8. Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в нескольких межатомных расстояниях в третьем измерении.

 

 

Задание 7. Прочитайте текст. Подчеркните предикаты. Укажите, в какой форме представлены предикаты по образцу.

 

Образец: сближены – краткое пассивное причастие прошедшего времени, образованное от глагола «сближать/ сблизить что». Краткие пассивные причастия прошедшего времени являются способом выражения предиката в научной речи.

 

Кристаллическая структура

 

Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомы, ионы или молекулы, из которых состоит кристалл, закономерно расположены в пространстве. Располагаясь строго периодически в трех измерениях, они образуют кристаллическую (пространственную) решетку (рис. 4.1).

Элементарная ячейка кристаллической решетки (рис. 4.1 а) – это минимальный по объему параллелепипед, перемещая который вдоль его ребер, можно воспроизвести всю кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка – это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают колебательные движения (рис. 4.1 б, в).

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния а, b и с между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки (рис. 4.1 а). Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки необходимо знать величины параметров а, b, с и углов между ними , β, γ.

В 1848 г. французский ученый Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток (рис. 4.2). Решетки Браве подразделяются на семь систем, называемых кристаллографическими сингониями, в соответствии с семью различными типами элементарных ячеек: триклинной, моноклинной, ромбической, тетрагональной, тригональной, кубической и гексагональной. Эти элементарные ячейки могут быть как примитивными, так и сложными. Из 14 решеток Бравэ 7 являются простыми, а 7 являются сложными.

 

Задание 8. Опишите рисунки 4.1. и 4.2., используя конструкции: состоять из чего?, чем? называться, располагаться где?как?, находиться где?, подразделяться на что?

Начните ответ, используя конструкции:

«На рисунке 4.1 показаны … / представлены … / мы видим …»

а         б Рис. 4.1. Кристаллическая структура: а) элементарная ячейка, б) двумерное изображение кристаллической решетки, в) пространственная кристаллическая решетка

Рис. 4.2. Решетки Бравэ. Сингонии.

 

 

Задание 9. Прочитайте описание рисунка 4.3. Опишите рис. 4.3. используя глаголы состоять, называться, располагаться, находиться, подразделяться. Начните ответ с конструкции: «На рисунке 4.1 показаны … / представлены … / мы видим …».

 

В большинстве случаев у реальных металлов решетки более сложные, так как элементарные частицы могут находиться не только в узлах, но и на их гранях и в центре решетки. На рисунке 4.3 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерных для металлов: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), в которой атомы расположены по вершинам элементарной ячейки и один в ее центре (W, Мо, V, Nb, Cr, К, Na и др., рис. 4.3, а); кубическая гранецентрированная (ГЦК), в которой атомы расположены по вершинам элементарной ячейки и в центрах ее граней (Сu, Ni, Fe-y, Ag, Al, Pt, Са и др., рис. 4.3, б); гексагональная плотноупакованная (ГПУ), представляющая собой шестигранную призму, в которой атомы расположены в три слоя.

а           в б Рис. 4. 3. Три типа элементарных ячеек кристаллических решеток: а) кубическая объемно-центрированная, б) кубическая гранецентрированная, в) гексагональная плотноупакованная

 

Аннотация Аннотация – это краткое содержание статьи, в которой указывается вид статьи, назначение, содержание (характеристика темы, проблемы, цели работы и ее основные результаты / выводы) и другие особенности. Примерная структура аннотации к статье: 1. Научная / научно-популярная статья «НАЗВАНИЕ» предназначена для … (для студентов, обучающихся по направлению «Физика» / для широкого круга читателей) 2. В статье … (название статьи, фамилия автора, место издания) рассматривается / исследуется / анализируется / описывается / называется … 3. Автор исследует/ анализирует / дает характеристику … 4. В статье рассмотрен … / В статье представлены … 5. Особенность данной статьи … / Особенностью данной статьи является (наличие схем / подробного анализа…) … 6. Автор делает вывод о … При написании аннотации необходимо использовать глаголы: рассматривается, исследуется, анализируется, описывается и др.

 

Задание 10. Прочитайте аннотации к тексту «Кристаллическая структура». Трансформируйте аннотации, используя синонимичные конструкции.

 

 Аннотации к тексту «Кристаллическая структура» (задание 4.13).

Вариант 1.

В тексте «Кристаллическая структура» рассмотрены следующие понятия: кристаллическая решетка, элементарная ячейка кристаллической решетки. В статье называются типы кристаллических решеток и семь систем, на которые подразделяются решетки Браве. Опираясь на схемы, автор описывает структуру элементарной ячейки.

Вариант 2.

Научная статья «Кристаллическая структура» предназначена для студентов, обучающихся по направлениям «Приборостроение», «Физика», «Машиностроение». В статье рассматриваются следующие понятия: кристаллическая решетка, элементарная ячейка, периоды решетки. Автор называет типы кристаллических решеток.

 

Задание 11. Прочитайте текст без словаря, озаглавьте его и напишите аннотацию.

____________________________________________________

а

б

в

Обычно кусок металла состоит из скопления большого числа маленьких кристаллов неправильной формы, называемых зернами (рис. 4.4 а, б). Кристаллические решетки в отдельных зернах ориентированы относительно друг друга случайным образом (в некоторых случаях, например, при холодной прокатке, наблюдается преимущественная ориентировка зерен – текстура) (рис. 4 б). Поверхности раздела зерен называются границами зерен. Такой кусок металла является поликристаллом. При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, его называют монокристаллом.

Рис. 4.4. Зерненная структура стали 08пс:
а) исходная, ´300	б) после прокатки e=70%, ´500

 

Кристаллическая решетка, в которой отсутствуют нарушения сплошности, и все узлы заполнены однородными атомами, называется идеальной кристаллической решеткой металла.

б

а

в

б

Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают такой строгой периодичностью в расположении атомов, о которой говорилось выше, т.е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения. Дефекты идеальной структуры твердых тел оказывают существенное влияние на их свойства. Без использования представлений о дефектах реальных кристаллов невозможно изучить явления пластической деформации, упрочнение и разрушение сплавов и др. Дефекты кристаллического строения удобно классифицировать по их геометрической форме и размерам: нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (поверхностные) и трёхмерные (объемные).

Рис. 4. 5. Схема точечных дефектов в кристалле: 1 – примесный атом замещения; 2 – дефект Шоттки; 3 – примесный атом внедрения; 4 – дивакансия; 5 – дефект Френкеля (вакансия и межузельный атом); 6 – примесный атом замещения.

 

Точечными дефектами (рис.4.5) называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам относят:

- вакансии – свободные места в узлах кристаллической решетки;

- дивакансия – свободные два узла решетки рядом;

- межузельные атомы данного металла – атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки;

- примесные атомы замещения (рис. 4.5.1) – атомы, по диаметру соизмеримые с атомами данного металла, поэтому замещают атомы основного металла;

- примесные атомы внедрения, имеющие очень малые размеры и поэтому внедряющиеся в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия) аналогично межузельным атомам;

- дефект Френкеля – при переходе атома из равновесного положения (узла) в междоузлие возникает пара «вакансия – межузельный атом»;

- дефект Шоттки – если атом из своего узла выходит на поверхность кристалла. Вышедший из равновесного положения атом называют дислоцированным, а оставшееся пустое место в узле решетки – вакансией.

Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации (лат. dislocation – смещение) – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают линейные (или краевые) и винтовые (или спиральные) дислокации (рис.4.6).

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстраплоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа. Условно подразделяют краевые дислокации на положительные и отрицательные. Положительная дислокация (┴) соответствует случаю, когда сверху есть лишняя атомная полуплоскость (как на рис. 4.6 а). Соответственно, в верхней половине кристалла действуют сжимающие напряжения, в нижней – растягивающие. Отрицательная дислокация (┬) соответствует случаю, когда верхняя половина кристалла растянута, нижняя сжата. Нетрудно заметить, что эти две дислокации различаются лишь поворотом на 180º. Поэтому не имеет смысла говорить о знаке дислокации, если эта дислокация одна: знак существен, если рядом есть другая дислокация. Силы упругого взаимодействия между дислокациями зависят от знака дислокации: одноименные дислокации отталкиваются, разноименные притягиваются.

а	б	в
Рис. 4.6. Схемы дислокаций: а) краевая, б) винтовая, в) схема определения вектора Бюргерса

Второй разновидностью линейных дефектов кристаллической решетки является винтовая дислокация (рис. 4.6 б). Она формируется и перемещается при сдвиге одной части кристалла относительно другой по какой-нибудь плоскости под действием внешних сдвиговых (касательных) сил Р (перемещение дислокации АВ..A`B`, рис. 4.6 б). На схеме сдвиг распространился от переднего края кристалла до линии АВ, параллельной силам Р. При этом правый край кристалла сместился вниз на параметр решетки. При дальнейшем действии этих сил АВ продолжит смещение к задней стенке с кристалла – А`В`.

Вокруг текущих положений (рис. 4.6 б, линия АВ) кристаллографические атомные плоскости-поверхности оказываются изогнутыми. Если проследить ход этих плоскостей от левой части кристалла к правой вокруг АВ сверху вниз, то окажется, что все они, т. е. атомные слои плоскости, как бы представляют одну винтовую поверхность, закрученную вокруг АВ по часовой стрелке в данном случае. Сама линия АВ, вокруг которой формируются геометрические и энергетические искажения в кристаллической решетке, и является винтовой дислокацией.

Одним из параметров, характеризующих поведение дислокации во время пластической деформации, является вектор Бюргерса. Он показывает степень искажения кристаллической решетки вокруг дислокации. Упругая энергия вокруг дислокации пропорциональна квадрату вектора Бюргерса. Чтобы определить вектор Бюргерса, надо вокруг дислокации построить контур Бюргерса (рис. 4.6 в). Протяженность сторон контура выбирается произвольно. Например, контур ABCD вокруг краевой дислокации ┴ по вертикали содержит четыре параметра решетки, по горизонтали – над дислокацией тоже четыре параметра, а под ней – три. Отрезок АЕ, по модулю равный параметру решетки, принято считать вектором Бюргерса. Он перпендикулярен линии дислокации.

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины. Плотность дислокаций – это суммарная протяженность линий дислокаций в единице объема кристалла.

Таким образом, и винтовая, и краевая дислокации – это границы между сдвинутой и несдвинутой частями кристалла, причем краеваядислокация перпендикулярна вектору сдвига, а винтовая – параллельна ему. В реальном кристалле область сдвига может быть ограничена более сложной, в общем случае криволинейной или смешанной дислокацией.

Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в нескольких межатомных расстояниях в третьем измерении. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внутри зерна (рис.4.7 б.а), границы блоков внутри фрагментов (рис.4.7 б.б) и др. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую ориентировку решеток. Блоки повернуты друг по отношению к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут, их размер 10^-5 см. Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого (рис. 4.7 а). Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

 

Рис. 4. 7. Поверхностные дефекты: а) неправильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2, б) зерна, фрагменты, блоки

б

а

Вследствие того что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла.

К объемным (трехмерным) дефектам относятся такие, которые имеют размеры в трех измерениях (макродефекты): поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины и т. д. Эти дефекты снижают прочность металла.

Порами называют заполненные газом полости в швах, имеющие округлую, вытянутую или более сложную форму.

Газовые пузыри в литом металле образуются вследствие выделения газов (оксидов углерода, азота, водорода, монооксида кремния) в период кристаллизации, поскольку их растворимость в твердом металле значительно меньше, чем в жидком. Пузыри газа, возникающие в объеме металла, всплывают или частично фиксируются в затвердевающем металле.

Неметаллические включения – химические соединения металлов с неметаллами, находящиеся в стали и сплавах в виде отдельных фаз.

 

Задание 12. Сформулируйте коротко, о чем данный текст? о чем говорится в тексте?

 

Задание 13. Опишите рисунки 4.4, 4.5, 4.6, 4.7.

 

Задание 14. Запишите номинативный план текста.

 

Задание 15. Представьте текст в виде схемы.