Дефекты кристаллической решетки

Процесс кристаллизации.

При переходе металла из жидкого состояния в твердое образуются кристаллы. Такой процесс называют кристаллизацией.

Процесс кристаллизации металла можно рассматривать по кривым охлаждения, которые обычно получают опытным путем. Например, для чистого металла, охлаждаемого очень медленно, кривая охлаждения показывает, что, если металл находится в жидком состоянии, температура понижается почти равномерно. Если металл охладить до температуры плавления Т пл (точка а на кривой), то начинается кристаллизация ипадение температуры прекращается, несмотря на непрерывную отдачу тепла окружающей атмосфере. Получаемый горизонтальный участок на кривой охлаждения показывает, что в металле происходит процесс образования кристаллов с выделением тепла, называемый теплотой кристаллизации. Кристаллизация протекает от точки а до точки б, где она заканчивается и металл затвердевает. Дальнейшее падение температуры на кривой указывает на охлаждение затвердевшего слитка (рис. А).

В металлических сплавах кривая охлаждения имеет несколько иной вид. Охладившись до температуры плавления Т_Пл, сплав еще некоторое время остается жидким. Кристаллизация сплава начинается при температуре переохлаждения Т_п, лежащей ниже теоретической температуры плавления. Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называют степенью переохлаждения. Она зависит от природы сплава, его чистоты и скорости охлаждения. Чем больше скорость охлаждения сплава, тем больше степень переохлаждения. Петля на кривой охлаждения показывает, что кристаллизация сопровождается выделением тепла, которое повышает температуру сплава до температуры плавления, поддерживая ее до полного затвердевания металла. (рис.Б)

Аморфные тела затвердевают постепенно. В этом случае кривая охлаждениябудет плавной, без горизонтальных площадок. (рис.В)

Процесс образования кристаллов состоит из двух одновременно протекающих стадий: появления зародышей - устойчивых центров кристаллизации и роста кристалликов вокруг этих центров.

Сначала каждый кристаллик в жидкости растет свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. Так как одновременно образуется много кристаллических центров и рост кристалликов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, увеличиваясь, начинают непосредственно соприкасаться друг с другом и правильная форма их нарушается. В результате кристалл приобретает округленную форму, напоминающую зерно. Такие кристаллы принято называть кристаллитами, или зернами.

В зависимости от условий затвердевания зерна могут быть крупными, хорошо различимыми невооруженным глазом, и мелкими, которые можно рассмотреть только при помощи металлографического микроскопа.

Процесс кристаллизации может быть описан количественно, если известны зарождение центров кристаллизации и скорость роста кристалликов. Число центров кристаллизации и скорость роста кристалликов зависят от степени переохлаждения металла. С увеличением степени переохлаждения ∆T число центров и скорость роста также возрастают, достигая максимального значения. Однако характер роста величин числа центров и скорости роста различен.

Если степень переохлаждения невелика, то скорость роста преобладает над числом центров, в результате чего образуется крупнозернистая структура.С увеличением степени переохлаждения скорость роста не изменяется, число центров продолжает расти, что приводит к образованию мелкозернистой структуры.

 

 

Дефекты кристаллической решетки

Выделяют несколько групп дефектов:

· Точечные дефекты

· Линейные дефекты

· Двухмерные дефекты

· Объемные дефекты

Точечные дефекты

К точечными дефектам относятся дефекты связанные с единичными атомами. Выделяют: вакансии, атомы замещения и атомы внедрения. Объяснить, что значит каждый из этих видов проще с помощью схемы изображенной на рисунке.

Рис. Точечные дефекты. а) идеальная решетка, б) вакансия, в) атом замещение, г) атом внедрения

На рисунке под буквой «а» изображена структура идеального кристалла. На рисунке «б» можете видеть отсутствие атома в одном из узлов, в связи с чем наблюдаются изменение положений ближайших атомов, такой вид дефекта называет вакансия. На рисунке «в» в узле атом одного элемента замещен атомом другого, такой вид деформации называется атомами замещения. И на последнем рисунке изображен атом внедрения, который устанавливается между узлами и тем самым создает сдвиг соседних атомов.

Линейные дефекты

Линейные дефекты по-другому называют одномерными. К линейным относятся дефекты длинны которых в одном из направлений значительно больше чем период решетки, а по остальным направлениям величина дефекта соизмерима с периодом. В случае кубической решетки период равняется расстоянию между соседними атомами. Примером линейного дефекта является дислокация.

Рис. Линейный дефект – дислокация. а) идеальный кристалл, б) дислокация

Дислокация это дефект который образовывается из-за отсутствующей полуплоскости. На рисунке изображено плоское представление дислокация, чтобы понять почему этот дефект называется линейным мысленно продолжите этот рисунок за экран. В месте где обрывается одна из полуплоскостей образуется «туннель» это и есть дислокация.

Двухмерные дефекты

По аналогии с линейными дефектами двумерными называют дефекты у который в двух измерениях величина дефекта много больше чем период решетки а в одном направлении сравнимо с ним. К дефектам этого типа можно отнести зоны двойникования, границы зерен и другие.

Объемные дефекты

Объемные или трехмерные дефекты это дефекты, которые имеют величину гораздо больше периода решетки во всех направлениях. К этому типу можно отнести любые модификации трех предыдущих которые находятся близ друг друга тем самым образовывая один большой дефект.

Влияние дефектов кристаллической решетки на свойство металла

Дефекты без сомнения оказывают сильное воздействие на свойства заголовки. Но далеко не всегда это нежелательные воздействия связанные с потерей материалом нужных характеристик. Часто кристаллическую решетку специально подвергают изменениям, чтобы добиться нужных свойств.

Точечные дефекты такие как атомы внедрения и атомы замещения используются для так называемого легирования, то есть подмешивание в состав материала примесей других элементов. Например, при легировании кремния фосфором можно получить полупроводник с n-типа, величина примеси будет также влиять на плавность p-n перехода. В противоположность этому легирование кремний бором даст полупроводник с n-типом проворности. Для получения качественной стали с высокими показателями долговечности железо легируют углеродом и марганцем.

Дислокация относящиеся к линейным дефектам позволяют увеличивать прочность материала однако при этом происходит потеря пластичности, но иногда именно это и требуется.

Определить величину дефектов проще сравнивая свойства эталона и измеряемого материала, однако скопления дефектов могут помочь определить вихретоковый или ультразвуковой дефектоскопы. Важно, что на сегодняшний день большинство дефектов можно определять и контролировать неразрушающим способом.

 

 

2) Опишите основные виды термической обработки стали.Нормализация её назначения и способы проведения.

Основные виды термической обработки стали. Отжиг, нормализация,закалка, обработка холодом. Прокаливаемость стали.Отпуск стали.Поверхностная закалка.