Аморфное и кристаллическое состояниеТвердые тела в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации делят на аморфные и кристаллические. Аморфный металл получается при скоростях охлаждения 106…107 °С/с и более. Атомы при этом не располагаются в правильном порядке, не образуют кристаллов. Аморфное твердое тело является изотропным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная стойкость и др. свойства. Если такое тело нагреть до определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то аморфное состояние его перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру: аморфная основа и образовавшиеся в ней кристаллы. В кристаллических твердых телах (при меньших скоростях охлаждения) атомы расположены в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы и создавая кристаллическую решетку или воображаемую пространственную сетку. Кристаллическое строение является общим свойством металлов и сплавов и характеризуется определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с атомами (ионами) в узлах. Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением не ряда периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Элементарной ячейкой называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла. Наиболее часто металлы имеют кристаллические решетки следующих типов.
Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то не трудно видеть, что в решетке помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т.е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности К. Расчеты компактности показали, что решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК. Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства вещества. На явлении полиморфизма основана термическая обработка. Известны полиморфные превращения железа Fea«Feg (ОЦК-ГЦК-ОЦК: 911°-1392°), титана Tia«Tig, олова (пластинчатое белое олово – хрупкий порошок серого олова). a – полиморфная модификация, устойчивая при более низких температурах; g – полиморфная модификация, устойчивая при более высоких температурах. Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях. Причем, разница в физико-химических и механических свойствах кристаллов в разных направлениях может быть весьма существенной. Например, коэффициент линейного расширения в двух взаимно-перпендикулярных направлениях может различаться в 3-4 раза, а прочность в 2 раза. Это объясняется тем, что число атомов, приходящихся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки неодинаково. Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов (монокристаллов). Большинство технических металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов (зерен). При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла усреднены. При обработке металлов давлением большинство зерен металла приобретает одинаковую ориентировку – текстуру, после чего металл становится анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться. Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.
НЕСОВЕРШЕНСТВА кристаллического строения и их влияние на свойства металлов
Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Различают три типа дефектов кристаллического строения: 1) Точечные дефекты характеризуются малыми размерами (несколько атомных диаметров) во всех трех измерениях.
Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии. Производят локальное изменение межатомных расстояний, тем самым, искажая кристаллическую решетку. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление 2) Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Такой вид дефекта называется дислокацией. Различают дислокации краевые и винтовые.
Смещенные атомы стремятся переместиться в равновесное положение. При движении дислокации вдоль направления сдвига через весь кристалл происходит смещение верхней и нижней его частей на одно межатомное расстояние. В результате перемещения дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает. Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих место и кристаллическая решетка искажена, что вызывает поле напряжений. Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплоскости (атмосферы Коттрелла) и снижают уровень упругих искажений дислокационной структуры. При повышении t° атм. Коттрелла рассеиваются, а при понижении t° до достижения предела растворимости они могут образовывать дисперсные выделения второй фазы. С повышением плотности дислокаций (суммарная длина дислокации в единице объема кристалла, см/см3=см-2) их движение все более затруднено и для продолжения деформации требуется увеличение прилагаемой нагрузки, в результате металл упрочняется. Упрочнению способствуют и др. несовершенства кристаллического строения, тормозящие движения дислокаций – примеси и легирующие элементы, частицы выделений второй фазы, границы зерен, а также наклеп, т.о., низкие температуры.
Общее количество дислокаций в кристалле характеризуют плотностью дислокаций. Это суммарная длина линий дислокаций в единице объёма [см/см3] или, что то же самое, число пересечений дислокациями единичной площадки [1/см2].
3) Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть, например, границы зерен. Зерно – это кристалл неправильной формы, выросший из одного зародыша. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую ориентировку решеток. Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей. Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, что оказывает существенное влияние на механические свойства металла. Измельчение зерна увеличивает пластичность и вязкость металла.
Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макродефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины. Эти дефекты снижают прочность металла.
|
Кривая И.А. Одинга
