Лекции_Матвед_Минаков (863839), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Реальное строение металлических кристалловКристаллы Ме имеют небольшие размеры. Ме состоит из множествакристаллов. Такое строение называют поликристаллическим.Однако, структура может состоять и из одного единственного кристалла.Такую структуру называют монокристаллической (как её получить смотри вглаве II).В реальном Ме кристаллы (не все, а большинство) не имеют возможностипринять идеальную форму. Такие кристаллы с неправильной формой (здесь идальше) называются зёрнами (или кристаллитами). [Причины этому во IIглаве]Различие зёрен проявляется вразличной пространственнойориентации (а она случайна).Степень несовершенства зёрен влияет на структуру => и на свойства Ме.Несовершенства есть всегда [Причины этому во II главе] !Несовешенства принято называть дефектами.Дефектыхимическиенарушенияточечные (в 3-хнаправленияхразмеры малы)линейные (в 2-х поверхностные объёмные(поры,направлениях(в 1-омтрещины,размеры малы) направлениираковины иразмер мал)т.д.)А.
Химические нарушения (или примесные атомы)- имеются всегда (даже в самых чистых Ме, понятие «чистый Ме» носитусловный характер)1 – чистые Ме- всегда приводится степень чистоты(например, 99,99999% Ge => примесисодержатся в количестве 0,00001 %)- воспроизвести свойства таких Ме тяжело(только в лаб. условиях или для ответственногоназначения)2 – технические Ме- воспроизвести свойства в промышленноммасштабе легко (точно по ГОСТам)Примесные атомы (большой – замещения; маленький – внедрения)Б. Точечные дефекты (возникают при повышении температуры, при облучении,при пластической деформации (ПД))вакансии (дефекты Шоттки)межузельные атомы (дефекты Френкеля)в любом кристалле есть атомы с Eкин>Eкин средняя- т.к.
Eобразов вак<Eобразов меж. ат, то межузельных атомов возникает меньше;- точечные дефекты вызывают искажения КР в первых двух атомных слоях;- с повышением температуры увеличивается количество дефектов(вакансий);- вакансии влияют на физические свойства (электропроводность, магнитныесвойства) и участвуют в процессах диффузии и рекристаллизации.В. Линейные дефекты (дислокации)винтоваякраевая(возникают при кристаллизациирасплава, при ПД)смешанная(в т.
В чистовинтовая,в т. А чистокраевая)Линейным дефектом (дислокацией)является край экстраплоскости – этовнутренняя граница надреза врезультате смещения одной частикристалла относительно другой.плоскость скольжениясхема дислокации в КРобозначение дислокации- дислокации окружены полями упругих напряжений, вызывающихискажения КР.Дислокации подразделяют (условно, т.к. направление координат в КР можнозадавать различно) на дислокации «+» знака (находятся в верхней частикристалла) и «-» знака (находятся в нижней части кристалла).
Упругие полянапряжений могут взаимодействовать друг с другом.положительные дислокацииотталкиваются друг от другаРазноимённые дислокациипритягиваются друг к другу и«склеивают» своиполуплоскости. Такой процессназывается аннигиляциейдислокаций– характеристикой искажения КР является вектор Бюргерса b, которыйнаходится через контур для каждой дислокациисхема определениявектора Бюргерса длякраевой дислокациисхема определениявектора Бюргерсадля винтовойдислокацииВектор Бюргерса показывает величину сбоя и направление лёгкогоперемещения дефектов– характеристикой дислокаций является плотность дислокаций ρ⊥ =∑l / V, где ∑l– суммарная длина дислокаций [см], V – объём кристалла [см³]ρ⊥, [см‾²] определяется экспериментально (по подсчёту выхода дислокаций наповерхность шлифа)Плотность дислокаций в обычном Ме составляет ~ 107 – 108 см‾²– механические свойства Ме сильно зависят от плотности дислокаций и от ихспособности к перемещению (смотри главу III), дислокации очень сильнооблегчают процесс ПДМикрофотографии следов дислокаций х400Г.
Поверхностные дефекты (границы раздела зёрен и субзёрен (блоков) )(возникают прикристаллизации расплава(только вполикристаллических телах) )– в действительностиструктура каждого зернаявляется трёхступенчатой.Зерно состоит изМикроструктурафрагментов, а фрагментыполикристаллическогоиз мозаики блоков.Блоки повёрнуты на углы в металла х100несколько минут, а фрагменты– в несколько градусов. Такиеграницы называютмалоугловыми. Зёрнаповёрнуты друг к другу науглы в несколько десятковградусов.
Такие границыназывают большеугловыми.Малоугловые границыблочная структура в Alкак «туннель» облегчаютобразованы дислокациями х35000перемещение атомовИтоги: 1. Все виды дефектов приводят к искажению КР => вблизи дефектоватомы смещены от положения равновесия, у таких атомов более сильноевзаимодействие => все виды дефектов создают дополнительное упрочнениедополнительноеупрочнениетек = 0 + ∗ [см‾²]2. Чем больше протяжённость границ зёрен (т.е. если структурамелкозернистая), тем больший вклад дополнительного упрочнения:тек = 0 +зернаупрочнение в теле зернаупрочнение от границ зерна§ 7.
Методы изучения структуры металловуровеньструктурытонкаямикроструктурамакроструктураметод изучениядифракционныеметоды(рентгенография,электронография,нейтронография)оптический иэлектронныймикроскопыневооружённымглазом или лупойобъект изучениярасположение частиц вкристалле, дефекты КР(дислокации и др.)размеры и форму зёрен,включения, микропустотыИзломы, макропоры,усадочные раковины,размеры и форму крупныхкристаллов, трещины,волокнистость от неМевключений, химическаянеоднородность (ликвация)Какова же направленность свойств в отдельном кристалле иполикристаллическом теле?Этапы приготовления микрошлифа:1) резка;2) шлифование и полирование;3) травление.взаимодействиетравителя только схимическим составомграницыв микроскопе послетравленияМеталлографическийинвертируемый микроскопOlympus GX71§ 8.
Анизотропия кристаллов и изотропияполикристаллического металлаРассмотрим ОЦК:в плоскости (100) – 4 атома, а вплоскости (110) – 5 атомов.zzПлотность заполнения атомамиx yxразлична. По направлениям также.Анизотропия – это различие(100)(110)yсвойств в зависимости отнаправления.Все кристаллы анизотропны !Реальный Ме – поликристаллическое тело. Зёрнанеупорядоченно ориентированы друг к другу.Изотропия – одинаковость свойств по всемнаправлениям.Реальный Ме – КВАЗИизотропен ! (*)Модель изменения пределапрочности кристалла Cu в(*)Но возможно сделать Ме и анизотропнымзависимости от направления(как? Смотри главу III)приложения нагрузкиА что происходит с атомами при нагреве?§ 9.
Явление диффузии в металлахДиффузия – перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния,превышающие средние межатомные расстояния данного вещества.гетеродиффузияперемещение атомов с изменениемконцентрации в отдельных объёмах(сплавы, Ме с повышеннымсодержанием примесных атомов)самодиффузияперемещение атомов поддействием тепловоговозбужденияосновной механизмХарактеристикой диффузии служит коэффициент диффузииD=D0*exp^(-Q/RT),где D0 – постоянная (определяется для каждого типа КР); R=8,31 Дж/моль*К –газовая постоянная; T, K – температура; Q – энергия активации (характеризуетсвязи атомов в КР).Диффузия идёт легче, если Q мала (т.е.
на поверхности и границах зёрен)Диффузия происходит в связи с тем, что при увеличении температурывозрастает Eкин отдельных атомов, поэтому возможен их перескок.Механизмы диффузиициклическийобменныймалые затратыэнергии;маловероятенчастный случайциклическогомеханизма;для ОЦКвакансионныймежузельныйдля ГЦК и ГПУэлементы с малыматомным радиусом(C, N, H, O) в МеДиффузия играет важную роль в следующих процессах: кристаллизации,рекристаллизации; фазовых превращениях; насыщения поверхности другимикомпонентами (Х.Т.О.)А что происходит с зёрнами при нагреве?§ 10. Рост зерна при нагревеГраница между зёрнамикогерентнаяполукогерентнаянекогерентнаяпрактическиидеальноесопряжениерешёток (нопериоды всёравно разные,хотя разницамежду нимимала)достройкарешёток за счётдислокацийнесоответствиянетсопряжениярешётокКР1двойникаКР2КР2 – зеркальноеотражение КР1При увеличении температуры активируетсяпроцесс самодиффузии => границы начинаютдвигаться.
Т. О перейдёт в т. О1. Однако,границы зерна А тогда искривятся, чтоприведёт к нарушению равновесия => границыснова начнут двигаться.При увеличении разориентации между зёрнамиувеличиваются упругие искажения КР =>увеличивается и EзернограничнаяСистема стремится Eзерн→min (в идеале кнулю, но это реально только для случаямонокристалла)Eзерн→min если угол между зёрнами будетравен 120°Итог: зерно А поглощает зерна Б и В до техпор, пока угол между зёрнами не станет равен120°, т.е.
пока зёрна не приобретут форму пятиили шестиугольников.Тело остаётся поликристаллическим (непревращаясь в монокристалл), т.к. процессудвижения границ мешают примеси награницах.Стык трёх зёрен А, Б и ВСпрямление границыНормальный рост зерна – процесс укрупнениязерна, пока все зёрна могут расти. Структура –равноосная.моделированиенормального ростазерна прирекристаллизациимикроструктура металла х100При дальнейшем увеличении температурыотдельные зёрна снова начнут расти,поглощая зёрна, не способные к росту, покане столкнутся с другими крупными зёрнами.Такой рост называется аномальным.Структура – грубозернистая.начальная стадия аномального ростазерна в кремнистом железе, х100Глава II «Формирование структуры металла в процессе литья»§ 1. Процесс затвердеванияКристаллизация – это переход металла из жидкого состояния в твёрдое(кристаллическое) с образованием кристаллической решётки.Кристаллизация (и плавление) – самопроизвольнопротекающие процессы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
