Будова атомів металів
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
узлів 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 ?Т: (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 зявляється 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 пр