Материалоемкость: определение понятия, применение, формулы, расчеты

Материалоемкость — что это

Контроль эффективности использования материалов и комплектующих является неотъемлемой частью финансового анализа для любого промышленного предприятия. Уровень затрат на производство продукции напрямую влияет на конкурентное положение компании на рынке и получение прибыли. Одним из важных показателей, характеризующих эффективность производства, считается материалоемкость.

Материалоемкость продукции: что это, формула

Материалоемкость продукции — показатель, который характеризует эффективность использования ресурсов.

Его рассчитывают в стоимостном или натуральном выражении. То есть, посчитать материалоемкость можно на 1 рубль или 1 единицу выпускаемой продукции. Полученное значение позволяет определить удельный вес ресурсов в определенном объеме готовой продукции.

С помощью этого показателя можно определить:

  • эффективность расходования ресурсов в целом по производству или партии готовой продукции (абсолютная материалоемкость);
  • долю того или иного вида затрат в общем объеме использованных ресурсов (структурная материалоемкость);
  • расход материалов, энергии и других ресурсов на достижение заданных технических характеристик (удельная материалоемкость).

Общая формула материалоемкости выглядит следующим образом:

где, З — анализируемый вид материалов или других ресурсов;

Гп — объем готовой продукции, изготовленный с использованием заданного количества материальных затрат.

Если этот показатель равен 1, то предприятие не получает никакого финансового результата. Затраты на производство продукции равны стоимости этой продукции.

Когда материалоемкость выше 1 — предприятие работает в убыток, а расход анализируемых ресурсов чрезвычайно высок.

Поскольку материалоемкость показывает эффективность расходования ресурсов, для предприятия выгодно, чтобы этот показатель достигал минимально возможных значений.

Однако и экстремально низкие значения материалоемкости могут свидетельствовать не об эффективности управления затратами, а о высокой доле сопутствующих расходов.

Анализ материалоемкости продукции

Анализ этого показателя проводят по двум направлениям. Во-первых, нужно сравнить фактический уровень материалоемкости с запланированными показателями. Это позволит оперативно установить перерасход ресурсов и принять меры по уменьшению расходов, выявить источники повышения расхода материалов.

Сравнение текущей и прогнозной материалоемкости нужно проводить как можно чаще. Таким образом, можно быстро определить источник расхождения значений этого показателя.

Во-вторых, материалоемкость текущего периода сравнивают со значениями этого показателя в прошлом. Такой анализ позволит установить эффективность мер, предпринимаемых для экономии ресурсов.

Кроме того, анализ структурной материалоемкости позволит изыскать источники дальнейшего снижения этого показателя без потери качества и ритмичности производства.

Путей снижения материалоемкости несколько:

  • технический;
  • технологический;
  • мотивационный.

Первый вариант подразумевает своевременную замену или реновацию оборудования, переналадку и оперативный текущий ремонт станков. Использование более современного оборудования позволяет уменьшить отходы материалов, повысить качество обработки материала и снизить расход энергетических ресурсов.

Возможно снижение материалоемкости и за счет изменений в технологии производства. Применение более современных технологий, результатов научных исследований и разработок также влияет на расход материалов.

И третий вариант уменьшения материалоемкости — мотивация персонала. Эффективно применение материального поощрения за уменьшение отходов производства, рациональное использование ресурсов, снижение уровня брака и т. д.

Ведь сложно поощрять уменьшение производственных отходов при использовании устаревшего и изношенного оборудования. При этом нужно помнить, что большинство мер не дадут эффекта сразу. Для изменения потребления ресурсов требуется время.

Заключение

Материалоемкость — важный показатель в анализе эффективности промышленного предприятия. Он показывает количество используемых ресурсов в готовой продукции. Анализ проводят как по каждому виду материалов или ресурсов, так и в целом по совокупности материальных затрат на производство продукции.

Сравнение фактических значений материалоемкости с прогнозными или прошлыми показателями позволяет выявить неэффективное использование ресурсов, определить действенность мер по снижению затрат и найти резервы для экономии материалов, комплектующих, энергии и т. д.

Материалоемкость – это показатель, обратный материалоотдаче

Для того чтобы успешно функционировать в условиях современного рынка, предприятия должны осуществлять целый комплекс мер, направленных на увеличение конкурентоспособности. Факторами повышения этого показателя являются: ценовая политика, ассортимент, расположение места продажи, качество товара и сервиса, научно-техническое развитие и современное оснащение производства, высокая квалификация персонала, территориальная распространенность точек продаж внутри страны и за ее пределами. Для эффективного осуществления ценовой политики предприятие должно регулярно пересматривать свои затраты и снижать их.

Читайте также:
Технические жидкости: определение, классификация, применение, преимущества

Факторы снижения себестоимости

Вам будет интересно: Прикладная социология: функции, задачи, методы, этапы развития и применение

Чтобы добиться уменьшения затрат на производство товара, необходимо выполнять ряд условий:

  • повышать производительность труда;
  • уменьшать трудоемкость;
  • снижать показатель материалоемкости;
  • сокращать брак;
  • ввести режим экономии на предприятии.

В совокупности процедуры, направленные на сокращение расходов, помогут предприятию увеличить прибыль при прежнем или увеличенном объеме производства.

Остановимся подробнее на материалоемкости, поскольку именно статья материальных затрат в большинстве случаев занимает основную долю в структуре себестоимости. Если показатель увеличивается в динамике, значит, сырье и материалы используются неэффективно, и фирма нуждается в пересмотре и корректировке расходов сырья и комплектующих.

Материалоемкость

Это показатель, характеризующий, какое количество материалов используется для производства единицы продукции. Иными словами, какую долю занимают материальные затраты в составе издержек производства. Для примера: к производствам с большой долей затрат на сырье и материалы относятся выплавка металлов, изготовление сахарного песка, машиностроение и иные.

В структуру материалоемкости входят основные материалы, вспомогательные, а также топливо, энергия и амортизация основных производственных фондов.

Материалоемкость – это показатель, обратный материалоотдаче.

Формула вычисления

Материалоемкость – это та цифра, которая находится в прямой взаимосвязи с суммой материальных затрат. То есть чем выше сумма издержек на сырье и материалы в процессе изготовления продукта, тем больше будет материалоемкость, формула для расчета которой представлена ниже:

МЗ – сумма затрат на покупку сырья и материалов,

С – полная себестоимость готового продукта.

Виды материалоемкости

Существует несколько видов материалоемкости. Это удельная, структурная и абсолютная. Удельная материалоемкость говорит о доле материалов в одной штуке товара в натуральном выражении. Структурная помогает узнать, какую долю в денежном выражении занимает конкретный вид сырья в производстве единицы продукта. Абсолютная величина позволит менеджеру узнать норму затрат ресурсов на производство одной штуки продукции, а также ее долю в чистом весе и уровень издержек запасов. Она рассчитывается отношением чистого веса продукта к норме расхода сырья на единицу продукции. Удельная материалоемкость является суммой произведений видов сырья и их удельных весов в составе продукта.

Пути улучшения

Во-первых, определяют, соответствует ли план расходов фактическим цифрам. Во-вторых, решают, насколько организация нуждается в подобных ресурсах. В-третьих, оценивают эффективность использования материалов. В-четвертых, с помощью факторного анализа выясняют, каких ресурсов требуется больше, и где требуется снизить потребление ресурсов. В–пятых, производят расчет стоимости материалов и ее влияния на объемы производства.

На основании полученных данных делают выводы и принимают соответствующие управленческие решения об улучшениях или о сокращении затрат.

Электронная библиотека

Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают такой строгой периодичностью в расположении атомов, о которой говорилось ранее, т.е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения.

Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).

Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам (рис. 1.4) относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия) аналогично межузельным атомам (примеси внедрения).

Читайте также:
Строительные конструкции: классификация, свойства, применение, требования

При переходе атома из равновесного положения (узла) в междоузлие возникает пара вакансия – межузельный атом, которая называется дефектом Френкеля, а если атом из своего узла выходит на поверхность кристалла, то образующийся дефект называется дефектом Шоттки.

Точечные дефекты являются центрами локальных искажений в кристаллической решетке. Однако заметные смещения атомов, окружающих вакансию или межузельный атом, создаются только на расстояниях нескольких атомных диаметров от центра дефекта, и поля упругих напряжений являются близкодействующими, т.е. быстро убывают (с увеличением расстояния).

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 – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации (рис. 1.5).

Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой. Если в идеальной решетке провести контур (контур Бюргерса) вокруг любого произвольного места, т.е. отложить определенное число параметров решетки вокруг этого места, то контур Бюргерса сомкнется.

Рис. 1.4. Схема точечных дефектов в кристалле:

а – точечный дефект вакансия; б – примесный атом замещения (атом A>B);

в примесный атом замещения (атом В>А)

В реальной решетке, содержащей дислокации (рис. 1.5, а), контур Бюргерса не сомкнется, т.е. число параметров решетки по разные стороны дислокации будет отличаться на величину , которая называется вектором Бюргерса. Для краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен линии дислокации (вектору ), а для винтовой параллелен.

Плоскость, проходящая через векторы и , называется плоскостью скольжения.

Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации (рис. 1.6), поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения.

Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расплава. Основным механизмом размножения дислокаций при пластической деформации являются так называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокаций, закрепленные на концах, которые под действием напряжения могут прогибаться, испуская при этом дислокации, и вновь восстанавливаться.

Рис. 1.5. Краевая (а) и линейная (б) дислокации в кристаллической решетке

Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в несколько межатомных расстояний в третьем измерении. К ним относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхности кристалла. Под дефектами упаковки подразумевают локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле.

Рис. 1.6. Сдвиговая деформация, осуществляемая скольжением краевой дислокации

Одним из видов дефектов являются так называемые двойники. Двойникованием, т.е. образованием двойников, называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки (рис. 1.7, б). Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла. Обычно деформация двойникованием являются монолитными, совершенными монокристаллами, а состоят из отдельных, так называемых субзерен (блоков), повернутых одно относительно другого на малый угол. Границы субзерен и зерен в металлах принято разделять на малоугловые (угол разориентировки менее 5°) и большеугловые (угол разориентировки более 5°).

Читайте также:
Сталь: основные характеристики и свойства, классификация и марки

На границах зерен скапливается большое количество дислокаций и вакансий. По границам зерен скапливаются также различные легкоплавкие неметаллические примеси, оксиды, мелкие поры и т.п., резко ухудшающие механические свойства мате­риала. Тугоплавкие включения, наоборот, находятся внутри кристал­лических зерен; они являются центрами кристаллизации, и при этом образуется мелкозернистая структура, что существенно улучшает ме­ханические характеристики мате­риала.

Рис. 1.7. Деформация скольжением (а) и двойникованием (б)

Объемные (трехмерные) дефекты имеют сравнительно большие размеры во всех трех измерениях. К этому виду дефектов относятся пустоты (поры и трещины), инородные включения (в твердом или жидком состоянии), включения иной кристаллографической моди­фикации или с другим стехиометрическим составом и т.п.

Каждый дефект (вакансия, дислокация) деформирует решетку. Число дефектов с повышением температуры и пластической дефор­мации резко возрастает. Атомные (точечные) дефекты сильно влияют на электрические свойства кристалла. Например, тысячные доли про­цента некоторых примесей увеличивают электропроводность полу­проводников в 10 5 —10 б раз.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Дефекты в кристаллах

Дефектом кристалла называют любое нарушение идеальной периодичности структуры кристалла.

Содержание

  • 1 Идеальный и реальный кристаллы
  • 2 Типы дефектов
  • 3 Преобразование и взаимодействие дефектов
  • 4 Влияние дефектов
  • 5 Избавление от дефектов
  • 6 Добавление дефектов
  • 7 Рекомендуемые материалы
  • 8 Навигация

Идеальный и реальный кристаллы

Теоретическая модель структуры кристалла подразумевает идеальную периодичность во всем теле кристалла и присутствие частиц только его вещества.
Однако, в реальном кристалле это совершенно не так, всегда находятся различные нарушения периодичности и симметрии, появляются примесные частицы, осуществляется перенос частиц вещества в пространство между узлами решетки и многое другое.

Любые попытки создать идеальный кристалл обречены на провал, и не последнюю роль здесь играет второй закон термодинамики. Согласно ему, в замкнутой равновесной системе свободные хаотически движущиеся частицы кристаллическая структура, энтропия (мера беспорядка) не может понижаться, а так как образование структуры по определению является процессом уменьшения беспорядка системы, то структура может образоваться только с дефектами. Если же попробовать обойти этот закон, найдя способ вручную перемещать частицы на требуемые места, то из-за даже небольших различий в температуре различных его частей, частицы со временем начнут случайно менять свое положение в решетке, неизбежно приводя к образованию дефектов.

Именно поэтому такая математическая абстракция как идеальный кристалл не может существовать в реальности.

Типы дефектов

Ниже приведена классификация дефектов в зависимости от их размерности и типа.

(уровень отдельных частиц, влияние оказывается на отдельные ряды или плоскости)

(линейные дефекты, влияние оказывается на отдельные плоскости или границы объемов всего кристалла)

(плоскостные дефекты, границы объемов с разными свойствами)

(отдельные макроскопические дефекты объема)

Преобразование и взаимодействие дефектов

Так как узлы решетки никогда не находятся в статичном положении, а совершают постоянные тепловые колебания, то они часто перемещаются между узлами решетки. А это означает, что вслед за ними перемещаются и дефекты.
Благодаря этому, дефекты не только могут менять свое положение во всей структуре, но и сложным образом взаимодействовать.

Например, вакансии могут как переместиться ближе к поверхности кристалла, что приведет к их “испарению”, либо объединиться в нескольких соседних областях и создать перегиб решетки, либо осуществить оба варианта одновременно, образовав трещину.

Взаимодействие некоторых видов дефектов может приводить к их самоустранению, например, междоузловая частица и вакансия при слиянии вновь дадут идеальную решетку, как и слияние множества винтовых дислокаций и деформации кручения с обратным относительно них направлением вращения.

Читайте также:
Термическая обработка стали: задачи, эффекты, применение

Влияние дефектов

Присутствие любых дефектов приводит к увеличению энергии решетки по сравнению с идеальной. На макроуровне такие изменения могут иметь совершенно необычные последствия.

Дисклокации и дисклинации увеличивают хрупкость материала при кратковременном сильном воздействии, но в то же время придают ему твердость и способность выдерживать длительные нагрузки. Присутствие макропримесей дает обратный эффект.
Примеси внедрения и вакансии сильно влияют на электрическую и магнитную проницаемости вещества, поляризационные свойства, вызывают появление окраски, явления сегнето-, пьезо- и пироэлектричества. Например, примеси некоторых веществ превращают кремний в полупроводник, а кристаллы прозрачного корунда – в рубины и сапфиры.

Избавление от дефектов

Для получения протяженных приближенных к идеальным кристаллических структур используют различные методы избавления от дефектов.

Большинство из них основаны на увеличении скорости передвижения дефектов при нагреве. Наиболее часто используемый метод – зонная плавка – образец кристалла с дефектами точечно нагревают до плавления, медленно перемещая центр нагрева во всему объему кристалла. Это позволяет избавится от множества дефектов различного типа, при этом дополнительно очистив материал.

Для металлических изделий используют отжиг – нагрев материала до точки близкой к его температуре плавления, с медленным остыванием (до градуса за несколько часов). Это позволяет практически избавить изделие от вакансий, междоузельных дефектов и дислокаций, увеличив его пластичность.

Добавление дефектов

Для многих отраслей наоборот требуется присутствие некоторых видов дефектов.

В металлургии проводят механическую обработку изделий ковкой или прокаткой, резко увеличивая количество дислокаций и дисклинаций. Это придает материалам прочность в требуемых направлениях, но одновременно снижает их пластичность.

Для добавления примесных атомов и ионов используют множество методов, такие как непосредственное введение примесей в расплав вещества, напыление, воздействие ионизирующего излучения.

Дефекты кристалла

Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько видов дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты.

Содержание

Нульмерные дефекты

К нульмерным (или точечным) дефектам кристалла относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Могут вноситься также в результате имплантации. Свойства таких дефектов и механизмы их образования наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение.

  • Вакансия — свободный, незанятый атомом, узел кристаллической решетки.
  • Собственный межузельный атом — атом основного элемента, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки.
  • Примесный атом замещения — замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки. В позициях замещения могут находиться атомы, которые по своим размерам и электронным свойствам относительно слабо отличаются от атомов основы.
  • Примесный атом внедрения — атом примеси располагается в междоузлии кристаллической решетки. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках — это примеси, создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии.

В кристаллах часто наблюдаются также комплексы, состоящие из нескольких точечных дефектов, например: пара Френкеля (вакансия + собственный междоузельный атом), дивакансия (вакансия + вакансия), А-центр (вакансия + атом кислорода в кремнии и германии) и др.

Термодинамика точечных дефектов

Точечные дефекты повышают энергию кристалла, так как на образование каждого дефекта была затрачена определенная энергия. Упругая деформация обуславливает очень малую долю энергии образования вакансии, так как смещения ионов не превышают 1 % и соответствующая им энергия деформации составляет десятые доли эВ. При образовании межузельного атома смещения соседних ионов могут достигать 20 % от межатомного расстояния, а соответствующая им энергия упругой деформации решетки — нескольких эВ. Основная доля образования точечного дефекта связана с нарушением периодичности атомной структуры и сил связи между атомами. Точечный дефект в металле взаимодействует со всем электронным газом. Удаление положительного иона из узла равносильно внесению точечного отрицательного заряда; от этого заряда отталкиваются электроны проводимости, что вызывает повышение их энергии. Теоретические расчеты показывают, что энергия образования вакансии в ГЦК решетке меди составляет около 1 эВ, а межузельного атома — от 2.5 до 3.5 эВ.

Читайте также:
Резина материал - классификация, эксплуатационные характеристики

Несмотря на увеличение энергии кристалла при образовании собственных точечных дефектов, они могут находиться в термодинамическом равновесии в решетке, так как их образование приводит к росту энтропии. При повышенных температурах рост энтропийного члена TS свободной энергии из-за образования точечных дефектов компенсирует рост полной энергии кристалла U, и свободная энергия оказывается минимальной.

Равновесная концентрация вакансий:

где E — энергия образования одной вакансии, k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура. Эта же формула справедлива для межузельных атомов. Формула показывает, что концентрация вакансий должна сильно зависеть от температуры. Формула для расчета проста, но точные количественные значения можно получить, только зная величину энергии образования дефекта. Рассчитать же теоретически эту величину весьма трудно, поэтому приходится довольствоваться лишь приближенными оценками.

Так как энергия образования дефекта входит в показатель степени, то это различие обусловливает громадную разницу в концентрации вакансий и межузельных атомов. Так, при 1000 °C в меди концентрация межузельных атомов составляет всего лишь 10 −39 , что на 35 порядков меньше концентрации вакансий при этой температуре. В плотных упаковках, какие характерны для большинства металлов, очень трудно образовываться межузельным атомам, и вакансии в таких кристаллах являются основными точечными дефектами (не считая примесных атомов).

Миграция точечных дефектов

Атомы, совершающие колебательное движение, непрерывно обмениваются энергией. Из-за хаотичности теплового движения энергия неравномерно распределена между разными атомами. В какой-то момент атом может получить от соседей такой избыток энергии, что он займет соседнее положение в решетке. Так осуществляется миграция (перемещение) точечных дефектов в объеме кристаллов.

Если один из атомов, окружающих вакансию, переместится в вакантный узел, то вакансия соответственно переместится на его место. Последовательные элементарные акты перемещения определенной вакансии осуществляются разными атомами. На рисунке показано, что в слое плотноупакованных шаров (атомов) для перемещения одного из шаров в вакантное место он должен раздвинуть шары 1 и 2. Следовательно, для перехода из положения в узле, где энергия атома минимальна, в соседний вакантный узел, где энергия также минимальна, атом должен пройти через состояние с повышенной потенциальной энергией, преодолеть энергетический барьер. Для этого и необходимо атому получить от соседей избыток энергии, который он теряет, «протискиваясь» в новое положение. Высота энергетического барьера Em называется энергией активации миграции вакансии.

Источники и стоки точечных дефектов

Основным источником и стоком точечных дефектов являются линейные и поверхностные дефекты — см. ниже. В крупных совершенных монокристаллах возможен распад пересыщенного твердого раствора собственных точечных дефектов с образованием т. н. микродефектов.

Комплексы точечных дефектов

Простейший комплекс точечных дефектов — бивакансия (дивакансия): две вакансии, расположенные в соседних узлах решетки. Большую роль в металлах и полупроводниках играют комплексы, состоящие из двух и более примесных атомов, а также из примесных атомов и собственных точечных дефектов. В частности, такие комплексы могут существенно влиять на прочностные, электрические и оптические свойства твердых тел.

Читайте также:
Хонингование - суть и эффекты, инструменты для хонинговки металла

Одномерные дефекты

Одномерные (линейные) дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметра решетки, а по двум другим — соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации и дисклинации. Общее определение: дислокация — граница области незавершенного сдвига в кристалле. Дислокации характеризуются вектором сдвига (вектором Бюргерса) и углом φ между ним и линией дислокации. При φ=0 дислокация называется винтовой; при φ=90° — краевой; при других углах — смешанной и тогда может быть разложена на винтовую и краевую компоненты. Дислокации возникают в процессе роста кристалла; при его пластической деформации и во многих других случаях. Их распределение и поведение при внешних воздействиях определяют важнейшие механические свойства, в частности такие как прочность, пластичность и др. Дисклинация — граница области незавершенного поворота в кристалле. Характеризуется вектором поворота.

Двумерные дефекты

Основной дефект-представитель этого класса — поверхность кристалла. Другие случаи — границы зёрен материала, в том числе малоугловые границы (представляют собой ассоциации дислокаций), плоскости двойникования, поверхности раздела фаз и др.

Трёхмерные дефекты

Объёмные дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение — нарушение режимов роста кристалла, распад пересыщенного твердого раствора, загрязнение образцов. В некоторых случаях (например, при дисперсионном твердении) объемные дефекты специально вводят в материал, для модификации его физических свойств.

Методы избавления от дефектов

Основной метод, который помогает избавляться от дефектов в кристалле — метод зонной плавки. Этот метод хорошо применим для кремния. Плавят малую часть кристалла, чтобы впоследствии перекристаллизовать расплав. Используют также просто отжиг. Дефекты при повышенной температуре обладают высоким коэффициентом диффузии. Вакансии могут выходить на поверхность, и поэтому говорят об испарении дефектов.

Полезные дефекты

При пластической деформации металлов (например, ковке, прокатке), генерируются многочисленные дислокации, по-разному ориентированные в пространстве, что затрудняет разрушение кристалла по сетке дислокаций. Таким образом увеличивается прочность металла, но в то же время снижается пластичность.

В искусственно выращенных рубинах, сапфирах для лазеров добавляют примеси (Cr, Fe, Ti) элементов — окрашивающие центры, которые участвуют в генерации когерентного света.

См. также

  • Алгоритм имитации отжига
  • Эффект Иоффе

Литература

  • Границы зерен и свойства металлов. Кайбышев О. А., Валиев Р. З. М.:Металлургия, 1987. 214 с.
  • Штремель М. А. Прочность сплавов. Ч. I. Дефекты решетки. М., 1982.

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Вебер, Дэвид Марк
  • Сейм Литовской Республики

Смотреть что такое “Дефекты кристалла” в других словарях:

Дефекты кристаллической решётки — Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько разновидностей дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные дефекты, одномерные,… … Википедия

ДЕФЕКТЫ — кристаллической решётки (от лат. defectus недостаток, изъян), любое отклонение от её идеального периодич. ат. строения. Д. могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопич. размеров. Образуются в процессе кристаллизации, под влиянием… … Физическая энциклопедия

дефекты — в кристаллах, нарушения строгой периодичности расположения частиц в кристаллической решётке. Различают точечные дефекты (вакансии, межузельные атомы), одномерные (дислокации) и двумерные (поверхности, границы кристаллических зёрен и двойников).… … Энциклопедический словарь

ДЕФЕКТЫ — в кристаллах (от лат. defectus недостаток, изъян), нарушения полностью упорядоченного расположения частиц (атомов, ионов, молекул), характерного для идеального кристалла. Образуются в процессе роста кристалла из расплава или р ра, а также под… … Химическая энциклопедия

Читайте также:
Строительные стали: классификация, свойства, марки

Дефекты в кристаллах — (от лат. defectus недостаток, изъян) нарушения периодичности кристаллической структуры в реальных монокристаллах. В идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые положения, образуя правильные трёхмерные решётки … Большая советская энциклопедия

Дефекты металлов — несовершенства строения металлов и сплавов. Д. м. ухудшают их физико механические свойства (например, электропроводность, магнитную проницаемость, прочность, плотность, пластичность). Различают Д. м. тонкой структуры (атомарного масштаба) … Большая советская энциклопедия

ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ — (от лат. defectus недостаток, изъян) несовершенства кристаллич. строения, нарушения строго периодич. расположения частиц в кристаллич. решётке. Д. в к. подразделяют на группы по геом. признакам. Точечные дефекты (нульмерные) малы во всех… … Большой энциклопедический политехнический словарь

ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ — – любое нарушение периодичности решетки идеального кристалла. Дефекты могут быть атомарного или макроскопического размера. Образуются дефекты в процессе кристаллизации, под давлением тепловых, механических и других воздействий. Разновидности… … Палеомагнитология, петромагнитология и геология. Словарь-справочник.

ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ — ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ, нарушения кристаллической структуры, размеры которых во всех трех измерениях сравнимы с одним или несколькими междуатомными расстояниями. Точечный дефект может иметь простую или сложную структуру. Виды точечных дефектов Вакансия … Энциклопедический словарь

Радиационные дефекты в кристаллах — структурные повреждения, образующиеся при облучении кристаллов потоками ядерных частиц и жёстким электромагнитным (гамма и рентгеновским) излучением. Структурные микроповреждения вызывают изменения механических и др. физических свойств… … Большая советская энциклопедия

Дефекты кристаллической решетки

Кристаллическое состояние вещества характеризуется жестко закономерным порядком размещением частиц в кристаллической решетке, который периодически повторяется и соответствует минимальному значению энергии системы, что согласуется с наличием ближнего и дальнего порядков. Кристаллическая структура с таким размещением частиц называется идеальным кристаллом. Однако реальные кристаллы обычно имеют несовершенное строение, что объясняется наличием дефектов кристаллической решетки.

Дефекты кристаллической решетки — это нарушение симметрии и идеальной периодичности в строении кристалла, а также отклонения строения от совершенной структуры.

Дефекты кристаллической решетки возникают в процессе роста кристалла вследствие неравновесности условий роста и наличия примесей, а также под влиянием механических и тепловых воздействий, электрических и магнитных полей или под действием ионизирующего излучения.

Дефекты в кристаллах классифицируются по различным признакам.

По происхождению дефекты кристаллической решетки делятся на микродефекты (нарушения в периодичности размещения частиц в кристаллической структуре) и макродефекты (трещины, укоренение молекул газа или маточного раствора).

По природе дефекты кристаллической структуры делятся на электронные и атомные.

  1. Электронные дефекты. К ним относятся избыточные электроны проводимости в кристалле и незаполненные валентные связи или вакантные орбитали — так называемые положительные дырки. Для кристалла, который находится в состоянии равновесия, количества электронов проводимости и положительных дырок одинаковы. Именно электроны и дырки обусловливают электропроводность твердых веществ. При определенных условиях (например, при наличии в кристалле химических примесей, входящих в его структуру) количество электронов и дырок может не совпадать — такое состояние наблюдается в полупроводниках.
  2. Атомные дефекты. В зависимости от размеров различают несколько разновидностей атомных дефектов: точечные, линейные (или дислокации), поверхностные и объемные.

Точечные дефекты связаны с отсутствием атома в узле кристаллической решетки или, наоборот, с появлением лишнего атома в узле или в междоузлие. Итак, точечные дефекты существуют в виде вакантных узлов (вакансий), в виде смещения частицы из узла кристаллической решетки в пространство между узлами (дефект укоренение) или в виде проникновения чужеродных атомов или ионов в кристаллическую решетку (дефект замещения — твердые растворы).

Читайте также:
Защитные материалы: классификация, свойства, применение, изготовление

Виды точечных дефектов

В ионных кристаллах вакансии должны быть скомпенсированы таким образом, чтобы кристалл в целом был электронейтральным, поэтому точечные дефекты в кристалле возникают парами и бывают разноименно заряжены.

Вакансии в кристаллической решетке: а) в атомном кристалле; б) в ионном кристалле вакансия катиона; в) в ионном кристалле вакансия аниона

В реальных условиях формирования кристаллов происходит в разных условиях, в разных окружающих средах, что сказывается на характере и особенностях дефектов кристаллической решетки, которые возникают при росте кристалла. Рассматривают два основных механизма образования точечных дефектов:

  • механизм по Шоттки — возникновение системы вакансий, которая сохраняет стехиометрический состав ионного кристалла благодаря комбинации одинаковых количеств катионных и анионных вакансий.
  • механизм по Френкелю — одновременное возникновение вакансии и укоренение постороннего катиона.

Механизмы образования точечных дефектов: а) по Шоттки; б) по Френкелю

Относительное содержание вакансий в кристаллах сравнительно небольше (

10 -12 % при н.у.), но оно может быстро увеличиваться при повышении температуры (до 10 -5 % при 600 К). Несмотря на это, дефекты по Шоттки и Френкелю существенно влияют на стехиометрию твердых веществ, вызывая существование соединений переменного состава и изменяя электропроводность, механическую прочность, оптические и другие физические свойства кристаллических веществ.

Точечные дефекты являются очень малыми во всех трех измерениях, их размеры по всем направлениям не превышают нескольких атомных диаметров — именно по этой причине их называют нульмерными.

Точечные дефекты повышают энергию кристалла, поскольку на образование дефекта была потрачена определенная энергия. Вокруг вакансии или лишнего атома в междоузлии решетка искажена, поэтому такой дефект в первом приближении можно рассматривать как центр сжатия или расширения кристалла.

Дефекты кристаллической решетки: а) вакансия, который является центром сжатия; б) укоренение — центр расширения

Важной особенностью точечных дефектов является их подвижность. Перемещение дефектов связано с преодолением потенциальных барьеров, высота которых определяется природой дефекта, структурой решетки и направлением движения дефекта. Перескоки вакансий приводят к перемещению атомов, то есть к самодиффузии примесных атомов замещения.

Линейные (одномерные) дефекты, или дислокации (смещения) возникают в местах обрыва плоскостей кристаллической решетки (краевые дислокации), при закручивании этих плоскостей (винтовые дислокации), а также при последовательном соединении точечных дефектов (цепочке дислокаций). Дислокации могут перемещаться в теле кристалла, скапливаться на участках крупнейших напряжений, а также выходить на поверхность и нарушать поверхностный слой. Линейные дефекты имеют атомные размеры в двух измерениях и только в третьем их размер сопоставим с длиной кристалла.

Наличие дислокаций и их подвижность вызывают изменение пластичности кристаллов, обусловливают напряжения и могут приводить к полному разрушению структуры.

При краевой дислокации образуется одна «лишняя» атомная полуплоскость, которая называется экстраплоскостью, а ее нижний край — линией дислокации .

Винтовые дислокации возникают при частичном смещении атомных слоев по некоторой плоскости Q, в результате чего нарушается их параллельность. Кристалл как бы закручивается винтом в виде полого геликоида вокруг линии ЕF, которая является линией дислокации, своеобразной границы, которая отделяет ту часть скольжения, где сдвиг уже завершился, от части, где он не происходил. На поверхности кристалла образуется ступенька, которая проходит через точку Е к краю кристалла. Такое смещение нарушает параллельность атомных слоев и кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную спиралью вокруг линии дислокации. Вблизи нее атомы смещаются из своих узлов и кристаллическая решетка нарушается, что вызывает образование поля напряжения: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже — растянута.

Читайте также:
Конструкционные материалы: определение, характеристики и применение

Винтовые дислокации

Поверхностные, или плоские (двумерные) дефекты имеют малые размеры только в одном измерении. Они образуются между двумя кристаллическими поверхностями, повернуты и смещены друг относительно друга, или при неправильной упаковке частиц в слое, или на грани укоренившихся другой фазы в виде сети дислокаций. Кроме того, поверхностные дефекты возникают по границам зерен кристалла.

Двумерные поверхностные дефекты

Объемные (трехмерные) дефекты — это нагромождение вакансий, пустот, пор, каналов внутри кристалла; частицы, которые укоренились в кристалл во время его роста (растворитель, пузырьки газа), зародыши новой кристаллической фазы, возникающие при равновесных условий существования кристалла. Трехмерные дефекты имеют относительно большие размеры во всех трех измерениях. Они представляют собой конгломераты из многих точечных и линейных дефектов, образуется при нарушении режима кристаллизации.

Дефекты любого типа влияют на свойства кристаллов, в частности на механическую прочность. Вместе с тем для проведения многих гетерогенных процессов бывает нужно иметь твердое тело с очень развитой внутренней поверхностью вследствие существования сети каналов, пор, трещин, поэтому для получения таких кристаллических веществ используются специальные методы созидания объемных дефектов. Регулировка количества дефектов кристаллической решетки позволяет модифицировать химические и физические свойства веществ в желаемом направлении, что, в свою очередь, дает возможность получать новые типы материалов с заранее заданными признаками.

Дефекты в кристаллах – все виды с подробным описанием

ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ (от лат. defectus – недостаток, изъян), нарушения периодичности кристаллической структуры в реальных монокристаллах. В идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые положения, образуя правильные трёхмерные решётки (кристаллические решётки). В реальных кристаллах (природных и искусственно выращенных) наблюдаются обычно различные отступления от правильного расположения атомов или ионов (или их групп). Такие нарушения могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопич. размеров, заметные даже невооружённым глазом. Помимо статических дефектов, существуют отклонения от идеальной решётки другого рода, связанные С тепловыми колебаниями частиц составляющих решётку (динамические дефекты).

Д. в к. образуются в процессе их роста, под влиянием тепловых, механических и электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым излучением (радиационные дефекты) и т. п.

Различают точечные дефекты (нульмерные), линейные (одномерные), дефекты, образующие в кристалле поверхности (двумерные), и объёмные дефекты (трёхмерные). У одномерного дефекта в одном направлении размер значительно больше, чем расстояние между соседними одноимёнными атомами (параметр решётки), а в двух других направлениях – того же порядка. У двумерного дефекта в двух направлениях размеры больше, чем расстояние между ближайшими атомами, и т. д.

Точечные дефекты. Часть атомов или ионов может отсутствовать на местах, соответствующих идеальной схеме решётки. Такие дефектные места наз. вакансиями. В кристаллах могут присутствовать чужеродные (примесные) атомы или ионы, замещая основные частицы, образующие кристалл, или внедряясь между ними. Точечными Д. в к. являются также собственные атомы или ионы, сместившиеся из нормальных положений (межузелъные атомы и ионы), а также центры окраски -комбинации вакансий с электронами проводимости (F-центры), с примесными атомами и электронами проводимости (Z-центры) либо с дырками (V-центры). Центры окраски могут быть вызваны облучением кристаллов.

В ионных кристаллах, образованных частицами двух сортов (положительными и отрицательными), точечные дефекты возникают парами. Две вакансии противоположного знака образуют дефект по Шотки. Пара, состоящая из межузель-ного иона и оставленной им вакансии, наз. дефектом по Френкелю.

Атомы в кристаллах располагаются на равном расстоянии друг от друга рядами, вытянутыми вдоль определённых крис-таллографич. направлений. Если один атом сместится из своего положения под ударом налетевшей частицы, вызванной облучением, он может, в свою очередь, сместить соседний атом и т. д. Таким образом смещённым окажется целый ряд атомов, причём на каком-то отрезке ряда атомов один атом окажется лишним. Такое нарушение в расположении атомов или ионов вдоль определенных направлений с появлением лишнего атома или иона на отдельном участке ряда наз. краудионом. Облучение выводит из положения равновесия атомы или ионы и в др. направлениях, причём движение передаётся по эстафете всё более далеко отстоящим атомам. По мере удаления от места столкновения налетевшей частицы с атомом кристалла передача импульса оказывается локализованной (сфокусированной) вдоль наиболее плотно упакованных направлений. Такая эстафетная передача импульса налетевшей частицы ионам или атомам кристалла с постоянной фокусировкой импульса вдоль плотно упакованных атомных рядов наз. фокусоном.

Читайте также:
Ликвация: описание процесса в стали, польза, вред и методы устранения

Линейные дефекты. В реальных кристаллах нек-рые атомные плоскости могут обрываться. Края таких оборванных (лишних) плоскостей образуют краевые дислокации. Существуют также винтовые дислокации, связанные с закручиванием атомных плоскостей в виде винтовой лестницы, а также более сложные типы дислокаций. Иногда линейные Д. в к. образуются из скопления точечных дефектов, расположенных цепочками.

Двумерные дефекты. Такими Д. в к. являются границы между участками кристалла, повёрнутыми на разные (малые) углы по отношению друг к другу; границы двойников, дефекты упаковки (одноатомные двойниковые слои), границы электрических и магнитных доменов, антифазные границы в сплавах, границы включений другой фазы (напр., мартенситной), границы зёрен (кристаллитов) в агрегатах кристаллов. Многие из поверхностных дефектов представляют собой ряды и сетки дислокаций, а совокупность таких сеток образует в поликристаллах границы зёрен; на этих границах собираются примесные атомы и инородные частицы.

Объёмные дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), напр, пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста.

В кристаллах дефекты вызывают упругие искажения структуры, обусловливающие, в свою очередь, появление внутренних механич. напряжений (см. Напряжение механическое). Напр., точечные дефекты, взаимодействуя с дислокациями, упрочняют или разупроч-няют кристаллы. Д. в к. влияют на спектры поглощения, спектры люминесценции, рассеяние света в кристалле и т. д., изменяют электропроводность, теплопроводность, сегнетоэлектрич. свойства, магнитные свойства и т. п. Подвижность дислокаций определяет пластичность кристаллов, скопления дислокаций вызывают появление внутренних напряжений и разрушение кристаллов. Дислокации являются местами скопления примесей. Дислокации препятствуют процессам намагничивания и электрич. поляризации благодаря взаимодействию с границами доменов. Объёмные дефекты снижают пластичность, влияют на прочность, на электрические, оптические и магнитные свойства кристалла так же, как и дислокации.

Лит.: Б ю р е н X. Г. в а н, Дефекты в кристаллах, пер. с англ., М., 1962; X а л л Д., Введение в дислокации, пер. с англ., М., 1968; Вакансии и другие точечные дефекты в металлах и сплавах, М., 1961; Некоторые вопросы физики пластичности кристаллов, М., 1960; Гегузин Я. Е., Макроскопические дефекты в металлах, М., 1962; Методы и приборы для контроля качества кристаллов рубина, М., 1968; Шаскольская М. П., Физическая кристаллография, М., 1972 [в печати]. М. В. Классен-Неклюдова, А.А. Урусовская.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: