Дефекты кристаллического строения металлов. В отличие от идеальных кристаллов реальные металлы содержат дефекты, которые делят на точечные, линейные

В отличие от идеальных кристаллов реальные металлы содержат дефекты, которые делят на точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Точечные дефекты (нульмерные)по размерам сравнимы с межатомными расстояниями. К ним относятся вакансии (свободные от атомов узлы кристаллической решетки являются вакантными), межузельные или дислоцированные атомы (атом находится в межузельном пространстве кристаллической решетки) и примесные атомы. Среди них различают атомы замещения и внедрения (рис. 1.2).

Линейные дефекты (одномерные)имеют измерение в одном направлении на многие тысячи периодов кристаллической решетки, а в двух других направлениях по размерам сравнимы с межатомными расстояниями. Важнейшими видами линейных несовершенств являются краевые (линейные) и винтовые дислокации.

 

а) б) в) г)

Рис. 1.2. Дефекты кристаллического строения: а – вакансия; б ‑ межузельный (внедренный) атом; в ‑ замещенный атом; г ‑ краевая дислокация

 

Образование краевых дислокаций вызвано присутствием в кристаллической решетке неполных кристаллографических плоскостей. Такие полуплоскости, не имеющие продолжения в нижней или верхней частях кристаллической решетки, называются экстраплоскостями. Краевая дислокация представляет собой область упругих искажений, проходящих вдоль края экстраплоскости. Различают положительные и отрицательные дислокации. Положительные дислокации возникают в верхней части кристалла и их обозначают знаком _┴, отрицательные ­ в нижней и их обозначают знаком ^┬.

Поверхностные дефекты (двумерные) имеют измерения в двух направлениях. Они представляют собой упругие искажения кристаллической решетки по границам зерен или их фрагментов (блоков мозаичной структуры). Различают большеугловые и малоугловые границы.

Большеугловые границы представляют собой области в несколько периодов кристаллической решетки, на протяжении которых решетка одной кристаллографической ориентации переходит в решетку другой ориентации. Такое строение имеют межзеренные границы.

 

ТЕОРИЯ СПЛАВОВ

Кристаллизация металлов

Кристаллизация ─ это переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое). С точки зрения термодинамики процесс кристаллизация протекает при условиях, обеспечивающих снижение запаса свободной энергии системы (энергии Гиббса).

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов ─ зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов. Скорость каждого из этих процессов зависит от степени переохлаждения n жидкости относительно равновесной температуры, т.е. температуры, при которой энергии Гиббса жидкого и кристаллического состояния равны. При небольших значениях n образуются крупнозернистые структуры. С увеличением переохлаждения структуры измельчаются (ч. ц. возрастает быстрее, чем с. к.).

От степени переохлаждения зависит критический размер зародыша, т.е. такой минимальный размер, при котором рост зародыша сопровождается снижением энергии Гиббса системы. Зародыши мельче критического к росту не способны и растворяются в жидкости. Чем больше степень переохлаждения жидкости, тем меньше критическая величина зародыша.

При кристаллизации кристаллы, окруженные со всех сторон жидкостью, имеют более или менее правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов форма нарушается, становится неправильной, так как рост граней на участках соприкосновения прекращается. Такие искаженные кристаллы называют кристаллитами или зернами. Таким образом, форма и размер образовавшихся в результате кристаллизации зерен определяются условиями столкновения растущих кристаллов.

В реальных условиях форма и размер кристаллов, помимо условий столкновения, зависят от направления и скорости отвода теплоты, температуры жидкого металла, вида и количества примесей (при росте кристаллов на частицах примесей, играющих роль готовых центров кристаллизации, образование зародышей называют гетерогенным в отличие от гомогенного ─ самопроизвольного образования). Нередко при кристаллизации возникают разветвленные древовидные кристаллы, называемые дендритами.

 

Виды сплавов

Сплавами называют вещества, полученные сплавлением двух или нескольких компонентов. По характеру взаимодействия компонентов в жидком и твердом состояниях различают сплавы: смеси, твердые растворы, химические соединения, промежуточные фазы.

Сплавы смеси образуют компоненты, которые в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, а в твердом состоянии образуют смесь кристаллов обоих компонентов, называемую эвтектикой. Изменение механических свойств сплавов смесей носит линейный характер и зависят от соотношения входящих в них компонентов и их свойств.

Твердыми растворами являются сплавы, компоненты которых растворяются друг в друге как в жидком, так и в твердом состояниях. Сплав сохраняет кристаллическую решетку растворителя – компонента, которого больше. Механические свойства твердых растворов изменяются по криволинейной зависимости и могут быть выше или ниже свойств образующих сплав компонентов.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. В растворах замещения атомы растворимого элемента замещают атомы элемента-растворителя в узлах его кристаллической решетки. Растворы замещения могут быть с неограниченной и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. В твердых растворах внедрения атомы одного компонента внедряются в межузельное пространство другого.

Сплав ­ химическое соединение образуется при определенном соотношении атомов компонентов, например А _m В _n, где m и n ­ количество атомов компонентов А и В, образующих соединение (стехиометрические коэффициенты). Соединение имеет собственную кристаллическую решетку, отличную от решетки образовавших его элементов. Механические свойства сплава значительно отличаются от свойств каждого компонента.

 

Диаграммы состояния

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации. Описание состояния сплава в математической форме производится с помощью правила фаз Гиббса:

С = К─ Ф + 1,

где К ─ число компонентов, образующих систему; Ф ─ число фаз; С ─ число степеней свободы.

Компонент – это независимая составная часть системы. Фаза ─ это однородная часть системы, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую свойства вещества меняются скачком.

Число степени свободы ­ это число внешних и внутренних факторов (температура, концентрация) равновесия, которые можно изменять, не нарушая равновесия системы.

Диаграмму состояния строят по критическим точкам кривых охлаждения, которые получают с помощью термического анализа. Однокомпонентная диаграмма представляет собой температурную шкалу с нанесенными на нее точками фазовых превращений.

Двухкомпонентная диаграмма строится в координатах температура (ось ординат) ­ концентрация (ось абсцисс). Концы оси абсцисс соответствуют компонентам, а промежуточные точки оси соответствуют сплавам с различным соотношением компонентов.

На рис. 2.1 представлена диаграмма состояния сплавов твердых растворов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Линия диаграммы АСВ^′ называется линией ликвидус. Выше этой линии все сплавы существуют в виде однофазного жидкого раствора (L). Линия А^′f В^′ ─ линия солидус. Ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии (в данном случае в виде неограниченного твердого раствора α). Между линиями А^′сВ^′ и А^′f В^′ сплавы имеют двухфазный состав (L+α).

Химический состав фаз и их относительное количество в сплаве при температуре, соответствующей двухфазной области, определяют с помощью правила отрезков. Чтобы определить химический состав необходимо через заданную точку, характеризующую состояние сплава (фигуративную точку), провести коноду (горизонтальную линию, лежащую в двухфазной области диаграммы и опирающуюся своими концами на фазовые границы). Проекции концов коноды на ось концентраций покажут состав соответствующих фаз. Отношение длины отрезка, заключенного между фигуративной точкой и одним из концов коноды, к длине всей коноды равно относительному количеству фазы, на границу с которой опирается второй конец коноды.

Рис. 2.1. Диаграмма с неограниченной растворимостью компонентов

Рис. 2.2. Диаграмма состояния сплавов смесей

На рис. 2.2 представлена диаграмма состояния сплавов смесей, которая характеризуется отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии. Линия АСВ ─ ликвидус, DСЕ ─ солидус. Кристаллизация всех сплавов этой системы заканчивается на линии DCE эвтектическим превращением остатка жидкой фазы в механическую смесь кристаллов компонентов А и В, называемую эвтектикой. Сплав, кристаллизация которого начинается непосредственно с эвтектического превращения (в данном случае сплав, фигуративная линия которого проходит через точку С), называется эвтектическим. Сплавы, концентрация которых лежит левее точки С, называются доэвтектическими, правее точки С – заэвтектическими. На рис. 2.3 представлена диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма с эвтектикой). Помимо линий ликвидус и солидус (АСВ и АDСЕВ) диаграмма содержит линии DF и EG предельной растворимости компонента В в твердом растворе α (А(В)) и компонента А в твердом растворе β (В(А)) соответственно. Кристаллизация сплава «с» начинается после пересечения линии ликвидус с выделением кристаллов твердого раствора β. Затем при пересечении линии DCE (линии эвтектики) образуется эвтектическая смесь из твердых растворов α и β.

Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов твердых растворов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов с устойчивым химическим соединением

При дальнейшем охлаждении, в связи с уменьшением растворимости компонента А в В(А) выделяются кристаллы твердого раствора α, богатого компонентом А. В конечном счете структура сплава представлена первичными кристаллами β, эвтектикой (α и β) и вторичными кристаллами α.

Диаграммы с устойчивым химическим соединением имеют вид двух или нескольких диаграмм, приложенных друг к другу по фигуративной линии химического соединения (рис. 2.4).

Вид диаграмм состояния, в которых компоненты испытывают полиморфные превращения, зависит от характера взаимодействия аллотро-пических модификаций компонентов. В ряде случаев они напоминают обычные диаграммы, расположенные этажами. Нередко в таких системах встречаются превращения, сходные по виду с эвтектическими, но с распадом не жидкости, а твердого раствора. Превращения подобного типа, в отличие от эвтектического, называют эвтекто-идным. На рис. 2.5. представлена диаграмма состояния сплавов твердых раство-ров с эвтектоидным превращением.