150105 (598852), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рис. 1.4. Ґратка об'ємоцентрична кубічна (Mo, W, V, Feα): r — найменша відстань до сусідніх атомів

Таблиця 1.1 Характеристики об'ємоцентричної кубічної ґратки

Параметр	Значення
Кути між осями	α = β = γ = 90°
Період ґратки	a = b = c
Кількість атомів на чарунку	n = 2
Координатне число	Z = 8
Коефіцієнт компактності	K = 0,68

Рис. 1.5. Ґратка гранецентрична кубічна (Al, Cu, Au, Ag, Feγ): r — найменша відстань до сусідніх атомів

Таблиця 1.2 Характеристики гранецентричної кубічної ґратки

Параметр	Значення
Кути між осями	α = β = γ = 90°
Період ґратки	a = b = c
Кількість атомів на чарунку	n = 4
Координатне число	Z = 12
Коефіцієнт компактності	K = 0,74

Рис. 1.6 Ґратка гексагональна щільного пакування (Mg, Coα, Zn, Tiα, Cd)

Таблиця 1.3 Характеристики гексагональної щільноупакованої ґратки

Параметр	Значення
Кути між осями	α = β = 90°, γ = 90°
Період ґратки	a = b, c/a = 1,633
Кількість атомів на чарунку	n = 6
Координатне число	Z = 12
Коефіцієнт компактності	K = 0,74

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1. На які групи залежно від будови поділяються тверді тіла?

2. Що таке аморфні тіла?

3. Що таке кристалічні тіла?

4. Наведіть приклади аморфних тіл.

5. Наведіть приклади кристалічних тіл.

6. Що таке просторова кристалічна ґратка?

7. Назвіть основні параметри кристалічних ґраток.

8. Які типи кристалічних ґраток характерні для металів?

9. Що таке поліморфізм металів?

10. Анізотропія й ізотропія, що це?

«Дефекти кристалічної будови металів»

З рідкого розплаву можна виростити монокристали. Їх, як правило, використовують у лабораторіях для вивчення властивостей тієї чи іншої речовини.

Метали і сплави, отримані у звичайних умовах, складаються з великої кількості кристалів, тобто мають полікристалічну будову. Ці кристали називаються зернами, мають неправильну форму і по-різному орієнтовані в просторі. Кожне зерно має власне орієнтування кристалічних ґрат, відмінне від орієнтування сусідніх зерен, унаслідок чого властивості реальних металів усереднюються, і явище анізотропії не спостерігається.

У кристалічних ґратах реальних металів наявні різні дефекти (недосконалості), що порушують зв'язки між атомами і впливають на властивості металів. Розрізняють такі структурні дефекти:

точкові — малі у всіх трьох вимірах;

лінійні — малі у двох вимірах і як завгодно протяжні в третьому;

поверхневі — малі в одному вимірі.

Одним із поширених недоліків кристалічної будови є наявність точкових дефектів: вакансій, дислокованих атомів і домішок (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Точкові дефекти: а — вакансія; б — домішковий (чужорідний) атом; в — дислокований атом

Вакансія — відсутність атомів у вузлах кристалічних ґрат, «дірки», що утворилися в результаті різних причин: при переході атомів із поверхні в навколишнє середовище чи з вузлів ґрат на поверхню (границі зерен, порожнечі, тріщини тощо), у результаті пластичної деформації, при бомбардуванні тіла атомами чи частинками високих енергій (опромінення в циклотроні чи нейтронне опромінення в ядерному реакторі). Концентрація вакансій значною мірою визначається температурою тіла. Скупчення багатьох вакансій може призвести до утворення пор і порожнеч.

Дислокований атом — це атом, що вийшов із вузла ґрат і зайняв місце в міжвузлі. Концентрація дислокованих атомів значно менше, ніж вакансій, оскільки для їх утворення необхідні істотні витрати енергії. При цьому на місці атома, що перемістився, утвориться вакансія.

Домішкові атоми завжди присутні в металі, оскільки практично неможливо виплавити хімічно чистий метал. Вони можуть мати розміри, більші чи менші розмірів основних атомів, і розташовуються у вузлах ґрат чи міжвузлях.

Точкові дефекти викликають незначні перекручування ґрат, що може привести до зміни властивостей тіла (електропровідність, магнітні властивості), їхня наявність сприяє процесам дифузії та здійсненню фазових перетворень у твердому стані.

Основними лінійними дефектами є дислокації. Дислокація — це дефекти кристалічної будови, що являють собою лінії, уздовж і поблизу яких порушене характерне для кристала правильне розташування атомних площин.

Дислокації впливають не лише на міцність і пластичність, але й на інші властивості кристалів. Зі збільшенням щільності дислокацій змінюються оптичні властивості, підвищується електричний опір металу. Дислокації збільшують середню швидкість дифузії в кристалі (рис. 1.8), прискорюють старіння й інші процеси, зменшують хімічну стійкість, тому в результаті обробки поверхні кристала спеціальними речовинами в місцях виходу дислокацій утворюються ямки.

Рис. 1.8. Схема дифузії в кристалі

Поверхневі дефекти виникають на границях зерен, фрагментів і блоків (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Границі зерен: а — схема полікристалічного тіла; б — схема будови границі зерна

Розміри зерен складають до 1000 мкм. Границя між зернами являє собою тонку, в 5—10 атомних діаметрів, поверхневу зону з максимальним порушенням порядку в розташуванні атомів.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1. Що таке зерна?

2. Назвіть групи дефектів (недосконалостей) кристалічних граток.

3. Що належить до точкових дефектів?

4. Що таке вакансія?

5. Що таке дислокований атом?

6. Що таке домішковий (чужорідний) атом?

7. До зміни яких властивостей металів можуть призвести точкові дефекти?

8. Які дефекти належать до лінійних?

9. До зміни яких властивостей металів призводить дислокація?

10. Де виникають поверхневі дефекти?

«Кристалізація металів»

Кристалізацією називають перехід металів з рідкого стану в твердий (кристалічний). Відбувається вона внаслідок переходу системи з термодинамічно нестійкого стану в термодинамічно стійкий стан, тобто зі стану з більшою енергією у стан з меншою вільною енергією або термодинамічним потенціалом, коли вільна енергія кристала є меншою від вільної енергії рідкої фази.

Енергетичний стан системи прийнято характеризувати вільною енергією. Вільною енергією називається частина повної енергії речовини, яка обернено змінює свою величину при зміні температури, поліморфних перетвореннях, плавленні. З підвищенням температури величина вільної енергії зменшується. Зміну вільної енергії рідкої і твердої речовини показано на рис. 1.10.

Рис. 1.10 Зміна вільної енергії рідкого і твердого металу залежно від температури

При рівноважній температурі Тпл величини вільної енергії металу в рідкому і твердому стані рівні; метал в обох станах перебуває у рівновазі. При температурі вище Тпл стійкішим є рідкий метал, який має менший запас вільної енергії, а нижче цієї температури стійким є твердий метал. Процес кристалізації розвиватиметься в тому випадку, якщо рідкий метал охолодити нижче температури Тпл.

Температура, за якої практично починається процес кристалізації, називається фактичною температурою кристалізації Тк.

Різниця між рівноважною температурою Тпл і фактичною температурою Тк називається ступенем переохолодження ΔТ: (1.1)

Процес переходу металу з рідкого стану у твердий можна описати за допомогою кривих у координатах температура — час.

На рис. 1.11 показані криві охолодження, які характеризують процес кристалізації чистих металів при охолодженні з різною швидкістю V. При дуже повільному охолодженні ступінь переохолодження малий і при температурі кристалізації на кривій з'являється горизонтальна ділянка (зупинка у падінні температури), утворення якої пояснюється виділенням прихованої теплоти кристалізації.

Рис. 1.11. Криві охолодження чистого металу

Під час плавлення відбувається поглинання теплоти, яка витрачається на підвищення енергії атомів, тобто на «руйнування» кристалічної ґратки металу. Ця теплота називається прихованою. У процесі кристалізації відбувається зворотне виділення енергії у вигляді прихованої теплоти кристалізації, яка компенсує тепло, що відводиться в оточуюче середовище, і затримує падіння температури.

Зі збільшенням швидкості охолодження ступінь переохолодження збільшується (криві 2 і 3) і процес кристалізації відбувається при температурах, які є значно нижчими, ніж рівноважна температура кристалізації.

Ступінь переохолодження залежить від природи і чистоти металу. Чим чистіший метал, тим при більшому ступені переохолодження виникають зародки твердих кристалів.

Процес кристалізації складається з двох стадій:

утворення центрів кристалізації (зародків кристалів);

розростання кристалів навколо цих центрів.

Схематично процес кристалізації показаний на рис. 1.12. При переохолодженні металу нижче температури Тпл у багатьох ділянках рідкого металу утворюються стійкі, здатні збільшуватися кристалічні зародки, які називають критичними зародками. Поки їх оточує рідина, кристали ростуть вільно і можуть мати правильну геометричну форму. Однак при зіткненні зростаючих кристалів їх правильна форма порушується, оскільки на ділянках контакту зростання граней припиняється. Кристал росте лише в тому напрямку, де він стикається з рідиною. Наслідком є те, що зростаючі кристали, які мають спочатку геометрично правильну форму, після тверднення набувають неправильної зовнішньої форми. Їх називають зернами, або кристалітами (рис. 1.13).

Характеристики

Список файлов книги