Диффузия – перемещение атомов на различные расстояния, превышающие межатомные для данного металла.

Перемещение атомов осуществляется путем обмена местами с вакансиями. Поскольку с увеличением температуры резко возрастает количество вакансий, то очевидно, что и процессы диффузии активизируются и ускоряются с увеличением температуры.

Точечные дефекты, перемещаясь по кристаллической решетке, могут объединяться в группы, образуя линейные дефекты. Скопление примесных атомов могут образовывать в определенных объемах решетки «лишнюю» кристаллографическую плоскость, а объединение вакансий, наоборот, формировать «недостающую» кристаллографическую плоскость.

Линейные дефекты кристаллического строения характеризуются малыми размерами в двух измерениях и значительной протяженностью в третьем измерении. Такие дефекты называются дислокациями (рис.1.8).

Рис.1.8. Схема расположения дислокации.

Основной вид дислокаций – краевая. В результате своего перемещения по кристаллу краевые дислокации могут выходить на поверхность кристалла. Из рис.1.8 и 1.9 видно, что атомы над краевой дислокацией испытывают сжатие, а нижние атомы – растяжение. Это приводит к значительным искажениям в той части кристаллической решетки, в которой находится дислокация, т.е. экстраплоскость.

Рис. 1.9. Расположение кристаллографических плоскостей в идеальном

кристалле (а) и незавершенная плоскость (экстраплоскость) в

кристалле с дислокацией (б).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла (рис.1.10, а), то дислокацию называют «положительной» и обозначают значком «┴». Если находится в нижней части кристалла, то дислокацию называют «отрицательной» и обозначают значком «┬». Различие между положительными и отрицательными дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную и наоборот. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного притягиваются.

Рис. 1.10. Расположение положительной (а) и отрицательной (б) дислокаций.

Дислокации внутри решетки могут взаимодействовать с точечными дефектами. Так, присоединение к лишней экстраплоскости атома внедрения перемещает дислокацию в направлении размещения этого атома. Присоединение к экстраплоскости вакансии, наоборот, перемещает дислокацию в направлении противоположном расположению вакансии.

Кроме того, дислокации могут самостоятельно перемещаться по кристаллу под воздействием приложенных к металлу напряжений. Наиболее распространенный для металлов способ и механизм перемещения дислокаций является пластический сдвиг (скольжение) (рис.1.11а, б). Распространение скольжения дислокаций по плоскости скольжения происходит последовательно. Каждый шаг перемещения дислокации из одного положения в другое совер-шается разрывом лишь одной вертикальной атомной плоскости. При этом для перемещения дислокаций требуется значительно меньшее усилие, чем для жесткого смещения одной части кристалла относительно другой по кристаллографической плоскости.

При движении дислокации вдоль направления сдвига (приложения нагрузки τ) через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней части на одно межатомное расстояние. В результате перемещения дислокация выходит на поверхность кристалла, где остается так называемая «ступенька скольжения» (рис.1.11 в). Дислокации легче перемещаются в направлениях перпендикулярных экстраплоскости.

С наличием дислокаций в кристаллах и возможностью их перемещения связан такой важный процесс, происходящий в металлах, как пластическая деформация.

Любая пластическая деформация происходит в металлах только при приложении внешней нагрузки (напряжений). А движение дислокаций и начинается при приложении нагрузки, т.е. сама пластическая деформация связана с движением дислокаций.

Таким образом, механизм пластической деформации заключается в движении и размножении дислокаций в кристалле.

Рис.1.11. Стадии перемещения дислокаций.

Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться винтовые дислокации (рис. 1.12). Винтовые дислокации могут образовываются путем частичного сдвига атомных слоев внутри кристалла. Кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии воображаемого разреза. Образование винтовой дислокации носит очень сложный характер.

Основной вклад в процесс пластической деформации вносят дислокации краевые, поэтому в дальнейшем основное внимание будет уделено краевым дислокациям.

а)

б)

Рис. 1.12. Схема образования (а) и расположение атомов (б) винтовой

дислокации в кристалле.

Количество дислокаций в кристаллах может достигать большой величины и рассчитывается через плотность дислокаций ρ.

ρ=∑ l / V

Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокаций ∑ l

приходящуюся на единицу объема V кристалла. Размерность плотности дислокаций см/см³ или см^-2. В исходном состоянии плотность дислокаций в металлах около 10⁶- 10³. После пластической деформации плотность дислокаций значительно возрастает и может составлять 10¹¹ - 10¹², что соответствует примерно 1 млн. километров дислокаций в 1 см³!

Плотность дислокаций определяется экспериментально по специальным методикам и при очень большом увеличении. Подсчитывается число выходов дислокаций на единицу площади поверхности металла.

Использование теории дислокаций позволило объяснить многие вопросы, связанные с изменением прочности металлов и сплавов.

ЛЕКЦИЯ 2

ПРОЦЕССЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Кристаллизация – процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое при определенной температуре.

Рассмотрим термодинамические условия кристаллизации. Энергетическое состояние любой системы характеризуется определенным запасом внутренней энергии. Свободной энергией является такая составляющая внутренней энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу. Величина свободной энергии изменяется при изменении температуры:

F = U - TS, где

F — свободная энергия, U — полная внутренняя энергия системы, Т — температура, S — энтропия.

Согласно второму закону термодинамики всякая система стремится к минимальному значению свободной энергии. Любой самопроизвольный процесс идет только в том случае, если новое состояние более устойчиво, т.е. обладает меньшим запасом свободной энергии. Процесс кристаллизации подчиняется этому же закону. Металл затвердевает, если меньшей свободной энергией обладает твердое состояние, и плавится в том случае, когда меньшей свободной энергией обладает жидкое состояние.

Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояния при изменении температуры показано на рис.2.1. С повышением температуры величина свободной энергии обоих состояний уменьшается, но закон изменения свободной энергии различен для жидкого и твердого состояний вещества.

Рис. 2.1. Влияние температуры на изменение свободной энергии

жидкого и твердого состояния.

Различают теоретическую и реальную температуру кристаллизации. T_т — теоретическая, или равновесная температура кристаллизации, при которой F_ж = F_m_в. При этой температуре равновероятно существование металла как в жидком, так и в твердом состояниях. Реальная же кристаллизация начнется только тогда, когда этот процесс будет термодинамически выгоден системе

при условии ΔF = F_ж ‑ F_m_в

для чего необходимо некоторое переохлаждение. Температура, при которой практически идет кристаллизация, называется реальной температурой кристаллизации Т_р. Разность между теоретической и реальной температурами кристаллизации называется

степенью переохлаждения: ΔT=T_т ‑ Т_р.

Чем больше степень переохлаждения ΔT, тем больше разность свободных энергий ΔF, тем интенсивнее будет идти кристаллизация.

Последовательность формирования кристаллов в процессе кристаллизации одинакова для всех металлических материалов независимо от их состава и включает в себя следующие стадии:

1 стадия кристаллизации — зарождение центров (зародышей) кристаллизации (рис.2.2, а). Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы. Одновременно в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации.

Рис.2.2. Последовательные стадии кристаллизации.

2 стадия кристаллизации — образование главной оси -- оси первого

порядка (рис.2.2, б). Главная ось кристаллизации определяет направление будущего кристалла. Увеличение общей массы затвердевшего металла происходит как за счет возникновения новых центров кристаллизации, так и за счет роста уже существующих.

3 стадия кристаллизации – образование осей кристаллизации 2 и 3 порядка, перпендикулярных к главной оси (рис. 2.2., а, б и рис. 2.3). Такая структура формирует основу будущего кристалла. Ее называют дендритной структурой (древовидный, древообразный).

4 завершающая стадия кристаллизации – кристаллизация межосного пространства (рис.2.2, г и рис. 2.4).

Рис. 2.3. Схема дендритной структуры

(1, 2, 3 – оси кристаллизации 1, 2, 3 порядка).

На первых стадиях кристаллизации образовавшиеся кристаллы (зерна) растут свободно и имеют почти правильную форму. Затем при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается. Дальнейший рост кристаллов продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ оставшегося жидкого металла. В результате на завершающей стадии процесса кристаллизации строение кристаллов (зерен) получает неправильную форму (рис.2.2, г и рис.2.4).

Рис. 2.4. Схема кристаллизации металла.

Таким образом, в результате кристаллизации в металлических материалах образуется зернистая структура (рис.2.3, г и рис.2.4).

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зернометалла.

В свою очередь на образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения и степень переохлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем мельче зерно.

Реальный процесс получения металла в больших объемах (называются слитки) показан на рис.2.5.

Рис. 2.5. Строение слитка.

Рассмотрим строение слитка в твердом состоянии. Слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах). Кристаллизация начинается у поверхности изложницы, где самый большой отвод тепла и самая высокая степень переохлаждения. Здесь образуются самые мелкие кристаллы. Это I зона кристаллизации -- мелкозернистая корка(рис.2.5, 1).

II зона кристаллизации — зона столбчатых кристаллов (рис.2.5, 2) связана с направленным отводом тепла — перпендикулярно к стенкам изложницы. При этом скорость охлаждения уменьшается и образуются более крупные зерна.

III зона кристаллизации -- зона равноосных кристаллов. Их главные оси не имеют одинаковой направленности и эти зерна являются самыми крупными по объему слитка, так как в центре слитка самая низкая скорость охлаждения.

Таким образом, металл после завершения кристаллизации (его называют литой металл), независимо от объема металла, имеет неоднородную структуру. Такую неоднородность металла называют зональной.

Дата добавления: 2016-12-16; просмотров: 1518;