Х а д т є. Ф. Соболєв М. Р. Захарян Конспект

Вид материала

Конспект

Содержание Будова реальних металів. Дефекти кристалічної будови Гвинтова дислокація Щільність дислокацій Поверхневі дефекти Лекція Кристалізація металів. Методи дослідження металів. Зміна вільної енергії залежно від температури Процес кристалізації чистого металу Механізм і закономірності кристалізації металів. Умови одержання дрібнозернистої структури Будова металевого злитка 1. Макроструктурний аналіз Мікроструктурний аналіз – Просвітчасті мікроскопи. Растрові мікроскопи.

Подобный материал:

• В. О. Соболєв, докт соц наук, проф., О. Н. Ярмиш, 150.32kb.
• Разработала: Захарян С. В., воспитатель мбдоу црр д/с №57 «Катюша», 113.95kb.
• Захарян Нонна мы – дети космоса, 74.53kb.
• Міліція І населення – партнери, 1673.58kb.
• Как составить конспект урока русского языка. Конспект урока, 4218.04kb.
• Соболєв олексій валерійович, 41.87kb.
• Конспект и самоанализ одного зачетного занятия. Конспект и самоанализ досугового мероприятия, 1222.92kb.
• Курс лекцій Рецензенти: Доктор соціологічних наук, проф. Соболєв В. О. Доктор соціологічних, 2781.7kb.
• В. С. Середюк Матеріалознавство Конспект, 2044.1kb.
• Конспект лекций 2010 г. Батычко Вл. Т. Муниципальное право. Конспект лекций. 2010, 2365.6kb.

Будова реальних металів. Дефекти кристалічної будови

  

З рідкого розплаву можна виростити монокристал. Їх звичайно використовують у лабораторіях для вивчення властивостей тієї або іншої речовини.

Метали й сплави, отримані у звичайних умовах, складаються з великої кількості кристалів, тобто, мають полікристалічну будову. Ці кристали називаються зернами. Вони мають неправильну форму й по-різному орієнтовані в просторі. Кожне зерно має своє орієнтування кристалічної решітки, відмінну від орієнтування сусідніх зерен, внаслідок чого властивості реальних металів усереднюються, і явища анізотропії не спостерігається

У кристалічній решітці реальних металів є різні дефекти (недосконалості), які порушують зв'язку між атомами й впливають на властивості металів. Розрізняють наступні структурні недосконалості:

• крапкові - малі у всіх трьох вимірах;
  
• лінійні - малі у двох вимірах і як завгодно протяжні в третьому;
  
• поверхневі - малі в одному вимірі.
  

Нагострені дефекти

 

Одним з розповсюджених недосконалостей кристалічної будови є наявність крапкових дефектів: вакансій, дислокованих атомів і домішок.




Крапкові дефекти


Вакансія - відсутність атомів у вузлах кристалічної решітки, «дірки», які утворилися в результаті різних причин. Утвориться при переході атомів з поверхні в навколишнє середовище або з вузлів решітки на поверхню (границі зерен, порожнечі, тріщини й т.д. ), у результаті пластичної деформації, при бомбардуванні тіла атомами або частками високих енергій (опромінення в циклотроні або нейтронної опромінення в ядерному реакторі). Концентрація вакансій у значній мірі визначається температурою тіла. Переміщаючись по кристалі, одиночні вакансії можуть зустрічатися. І поєднуватися в дивакансії. Скупчення багатьох вакансій може привести до утворення пор і порожнеч.

Дислокований атом - це атом, що вийшов з вузла решітки й зайняв місце в міжвузлі. Концентрація дислокованих атомів значно менше, ніж вакансій, тому що для їхнього утворення потрібні істотні витрати енергії. При цьому на місці атома, що перемістився, утвориться вакансія.

Домішкові атоми завжди присутні в металі, тому що практично неможливо виплавити хімічно чистий метал. Вони можуть мати розміри більше або менше розмірів основних атомів і розташовуються у вузлах решітки або міжвузлі.

Крапкові дефекти викликають незначні перекручування решітки, що може привести до зміни властивостей тіла (електропровідність, магнітні властивості), їхня наявність сприяє процесам дифузії й протіканню фазових перетворень у твердому стані. При переміщенні по матеріалі дефекти можуть взаємодіяти.


Лінійні дефекти:

 

Основними лінійними дефектами є дислокації. Апріорне подання про дислокації вперше використано в 1934 році Орованом і Тейлером при дослідженні пластичної деформації кристалічних матеріалів, для пояснення великої різниці між практичною й теоретичною міцністю металу.

Дислокація – це дефекти кристалічної будови, що представляють собою лінії, уздовж і поблизу яких порушене характерне для кристала правильне розташування атомних площин.

 

Найпростіші види дислокації - крайові й гвинтові.

 

Крайова дислокація являє собою лінію, уздовж якого обривається усередині кристала край «зайвої» напівплощини


Крайова дислокація (а) і механізм її утворення (б)

 

Неповна площина називається екстраплоскістю.

Більшість дислокацій утворяться шляхом зсувочного механізму. Її утворення можна описати за допомогою наступної операції. Надрізати кристал по площині АВС, зрушити нижню частину щодо верхньої на один період решітки в напрямку, перпендикулярному АВ, а потім знову зблизити атоми на краях розрізу внизу.

Найбільші перекручування в розташуванні атомів у кристалі мають місце поблизу нижнього краю екстраплоскості. Вправо й уліво від краю екстраплоскості ці перекручування малі (кілька періодів решітки), а уздовж краю екстраплоскості перекручування простираються через весь кристал і можуть бути дуже великі (тисячі періодів решітки).

Якщо екстраплоскість перебуває у верхній частині кристала, то крайова дислокація - позитивна, якщо в нижньої, те - негативна. Дислокації одного знака відштовхуються, а протилежні притягаються.


Перекручування в кристалічній решітці при наявності крайової дислокації

 

Інший тип дислокацій був описаний Бюргерсом, і одержав назву гвинтова дислокація

Гвинтова дислокація отримана за допомогою часткового зрушення по площині Q навколо лінії EF На поверхні кристала утвориться сходинка, що проходить від крапки Е до краю кристала. Таке часткове зрушення порушує паралельність атомних шарів, кристал перетворюється в одну атомну площину, закручену по гвинті у вигляді порожнього гелікоїда навколо лінії EF, що представляє границю, що відокремлює частину площини ковзання, де зрушення вже відбулося, від частини, де зрушення не починалося. Уздовж лінії EF спостерігається макроскопічний характер області недосконалості, в інших напрямках її розміри становлять кілька періодів.

Якщо перехід від верхніх обріїв до нижнього здійснюється поворотом за годинниковою стрілкою, то дислокація права, а якщо поворотом проти годинникової стрілки – ліва.




Механізм утворення гвинтової дислокації

 

Гвинтова дислокація не пов'язана з якою-небудь площиною ковзання, вона може переміщатися по будь-якій площині, що проходить через лінію дислокації. Вакансії й дислоковані атоми до гвинтової дислокації не стікають.

У процесі кристалізації атоми речовини, що випадають із пари або розчину, легко приєднуються до сходинки, що приводить до спірального механізму росту кристала.

Лінії дислокацій не можуть обриватися усередині кристала, вони повинні або бути замкнутими, утворюючі петлю, або розгалужуватися на кілька дислокацій, або виходити на поверхню кристала.

Дислокаційна структура матеріалу характеризується щільністю дислокацій.

Щільність дислокацій у кристалі визначається як середнє число ліній дислокацій, що перетинають усередині тіла площадку площею 1 м², або як сумарна довжина ліній дислокацій в об'ємі 1 м³

(см^-2; м^-2)

Щільність дислокацій змінюється в широких межах і залежить від стану матеріалу. Після ретельного відпалу щільність дислокацій становить 10⁵…10⁷м^-2, у кристалах із сильно деформованою кристалічною решіткою щільність дислокацій досягає 10¹⁵…10¹⁶м ^–2.

Щільність дислокації значною мірою визначає пластичність і міцність матеріалу




Вплив щільності дислокацій на міцність

 

Мінімальна міцність визначається критичною щільністю дислокацій.

Якщо щільність менше значення а, то опір деформуванню різко зростає, а міцність наближається до теоретичного. Підвищення міцності досягається створенням металу з бездефектною структурою, а також підвищенням щільності дислокацій, що утрудняють їхній рух. У цей час створені кристали без дефектів – нитковидні кристали довжиною до 2 мм, товщиною 0,5...20…20 мкм – «вуси» з міцністю, близької до теоретичного: для заліза = 13000 МПа, для міді =30000 МПа. При зміцненні металів збільшенням щільності дислокацій, вона не повинна перевищувати значень 10¹⁵…10¹⁶м ^–2. У противному випадку утворяться тріщини.

Дислокації впливають не тільки на міцність і пластичність, але й на інші властивості кристалів. Зі збільшенням щільності дислокацій зростає внутрішнє, змінюються оптичні властивості, підвищується електроопір металу. Дислокації збільшують середню швидкість дифузії в кристалі, прискорюють старіння й інші процеси, зменшують хімічну стійкість, тому в результаті обробки поверхні кристала спеціальними речовинами в місцях виходу дислокацій утворяться ямки.


Дислокації утворяться при утворенні кристалів з розплаву або газоподібної фази, при зрощенні блоків з малими кутами розорієнтування. При переміщенні вакансій усередині кристала, вони концентруються, утворюючі порожнини у вигляді дисків. Якщо такі диски великі, то енергетично вигідно «захлопування» їх з утворенням по краї диска крайової дислокації. Утворяться дислокації при деформації, у процесі кристалізації, при термічній обробці.

Поверхневі дефекти – границі зерен, фрагментів і блоків .


Розорієнтування зерен і блоків у металі

 

Розміри зерен становлять до 1000 напівтемний. Кути розорієнтування становлять до декількох десятків градусів.

Границя між зернами являє собою тонку в 5 - 10 атомних діаметрів поверхневу зону з максимальним порушенням порядку в розташуванні атомів.

Будова перехідного шару сприяє скупченню в ньому дислокацій. На границях зерен підвищена концентрація домішок, які знижують поверхневу енергію. Однак і усередині зерна ніколи не спостерігається ідеальної будови кристалічної решітки. Є ділянки, розорієнтування один щодо іншого на кілька градусів (). Ці ділянки називаються фрагментами. Процес розподілу зерен на фрагменти називається фрагментацією або полігонізацією.

У свою чергу кожний фрагмент складається із блоків, розмірами менш 10 напівтемних, розорієнтованих на кут менш одного градуса (). Таку структуру називають блоковою або мозаїчною.


Лекція

Кристалізація металів. Методи дослідження металів.

 

 

Будь-яка речовина може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному. Можливий перехід з одного стану в інше, якщо новий стан у нових умовах є більше стійким, має менший запас енергії.

Зі зміною зовнішніх умов вільна енергія змінюється за складним законом по-різному для рідкого й кристалічного станів. Характер зміни вільної енергії рідкого й твердого станів зі зміною температури показаний на мал.




Зміна вільної енергії залежно від температури

 

Відповідно до цієї схеми вище температури Т_S речовина повинне перебувати в рідкому стані, а нижче Т_S – у твердому.

При температурі рівної Т_S рідка й тверда фаза мають однакову енергію, метал в обох станах перебуває в рівновазі, тому дві фази можуть існувати одночасно нескінченно довго. Температура Т_S – рівноважна або теоретична температура кристалізації.

Для початку процесу кристалізації необхідно, щоб процес був термодинамічно вигідний системі й супроводжувався зменшенням вільної енергії системи. Це можливо при охолодженні рідини нижче температури Т_S. Температура, при якій практично починається кристалізація називається фактичною температурою кристалізації.

Охолодження рідини нижче рівноважної температури кристалізації називається переохолодженням, що характеризується ступенем переохолодження ():



Ступінь переохолодження залежить від природи металу, від ступеня його забруднення (чим чистіше метал, тим більше ступінь переохолодження), від швидкості охолодження (чим вище швидкість охолодження, тим більше ступінь переохолодженні).

Розглянемо перехід металу з рідкого стану у тверде.

При нагріванні всіх кристалічних тіл спостерігається чітка границя переходу із твердого стану в рідке. Така ж границя існує при переході з рідкого стану у тверде.

Кристалізація – це процес утворення ділянок кристалічної решітки в рідкій фазі й ріст кристалів із центрів, що утворилися.

Кристалізація протікає в умовах, коли система переходить до термодинамічно більш стійкого стану з мінімумом вільної енергії.

Процес переходу металу з рідкого стану в кристалічне можна зобразити кривими в координатах час - температура. Крива охолодження чистого металу представлена на мал. 3.2.


Крива охолодження чистого металу

 - теоретична температура кристалізації;

_. – фактична температура кристалізації.

Процес кристалізації чистого металу:

До крапки 1 прохолоджується метал у рідкому стані, процес супроводжується плавним зниженням температури. На ділянці 1 – 2 іде процес кристалізації, що супроводжується виділенням тепла, що називається схованою теплотою кристалізації. Воно компенсує розсіювання теплоти в простір, і тому температура залишається постійної. Після закінчення кристалізації в крапці 2 температура знову починає знижуватися, метал прохолоджується у твердому стані.


 

Механізм і закономірності кристалізації металів.

 

При відповідному зниженні температури в рідкому металі починають утворюватися кристалики – центри кристалізації або зародки. Для початку їхнього росту необхідне зменшення вільної енергії металу, у противному випадку зародок розчиняється.

Мінімальний розмір здатного до росту зародка називається критичним розміром, а зародок – стійким.

Перехід з рідкого стану в кристалічне вимагає витрати енергії на утворення поверхні роздягнула рідина - кристал. Процес кристалізації буде здійснюватися, коли виграш від переходу у твердий стан більше втрати енергії на утворення поверхні роздягнула. Залежність енергії системи від розміру зародка твердої фази представлена на мал.


Зародки з розмірами рівні і більшими критичного ростуть зі зменшенням енергії й тому здатні до існування.




Залежність енергії системи від розміру зародка твердої фази

 





Модель процесу кристалізації

 

Центри кристалізації утворяться у вихідній фазі незалежно друг від друга у випадкових місцях. Спочатку кристали мають правильну форму, але в міру зіткнення й зрощення з іншими кристалами форма порушується. Ріст триває в напрямках, де є вільний доступ живильного середовища. Після закінчення кристалізації маємо полікристалічне тіло.

Якісна схема процесу кристалізації може бути представлена кількісно кінетичній кривій (мал.3.5).




Рис. Кінетична крива процесу кристалізації

 

Процес спочатку прискорюється, поки зіткнення кристалів не починає перешкоджати їхньому росту. Об'єм рідкої фази, у якій утворяться кристали зменшується. Після кристалізації 50 % об'єму металу, швидкість кристалізації буде вповільнюватися.

Таким чином, процес кристалізації складається з утворення центрів кристалізації й росту кристалів із цих центрів.

У свою чергу, число центрів кристалізації (ч.ц.) і швидкість росту кристалів (с.р.) залежать від ступеня переохолодження.



Рис. Залежність числа центрів кристалізації (а) і швидкості росту кристалів (б) від ступеня переохолодження

 

Розміри кристалів, що утворилися, залежать від співвідношення числа центрів, що утворилися, кристалізації й швидкості росту кристалів при температурі кристалізації.

При рівноважній температурі кристалізації Т_S число центрів, що утворилися, кристалізації й швидкість їхнього росту рівняються нулю, тому процесу кристалізації не відбувається.

Якщо рідина переохолодити до температури, що відповідає т.а, то утворяться крупні зерна (число центрів, що утворилися, невелике, а швидкість росту - більша).

При переохолодженні до температури відповідної т.в – дрібне зерно (утвориться велика кількість центрів кристалізації, а швидкість їхнього росту невелика).

Якщо метал дуже сильно переохолодити, то число центрів і швидкість росту кристалів дорівнюють нулю, рідина не кристалізується, утвориться аморфне тіло. Для металів, що володіють малою схильністю до переохолодження, експериментально виявляються тільки висхідні галузі кривих.

 

Умови одержання дрібнозернистої структури

 

Прагнуть до одержання дрібнозернистої структури. Оптимальними умовами для цього є: максимальне число центрів кристалізації й мала швидкість росту кристалів.

Розмір зерен при кристалізації залежить і від числа часточок нерозчинних домішок, які відіграють роль готових центрів кристалізації - оксиди, нітриди, сульфіди.

Чим більше часточок, тим дрібніше зерна металу, що закристалізувався.

Стінки ізложниць мають нерівності, шорсткості, які збільшують швидкість кристалізації.

Дрібнозернисту структуру можна одержати в результаті модифікування, коли в рідкі метали додаються сторонні речовини – модифікатори,

По механізму впливу розрізняють:

1. 
   Речовини не розчиняються в рідкому металі - виступають як додаткові центри кристалізації.
   
2. Поверхово - активні речовини, які розчиняються в металі, і, осаджуючись на поверхні зростаючих кристалів, перешкоджають їхньому росту.
   

 


Будова металевого злитка

 

Схема сталевого злитка, дана Черновим Д.К., представлена на мал.


Рис. Схема сталевого злитка

Злиток складається із трьох зон:

1. 
   Дрібнокристалічна коркова зона;
   
2. зона стовпчастих кристалів;
   
3. внутрішня зона великих рівновісних кристалів.
   

Кристалізація коркової зони йде в умовах максимального переохолодження. Швидкість кристалізації визначається

більшим числом центрів кристалізації. Утвориться дрібнозерниста структура.

Рідкий метал під корковою зоною перебуває в умовах меншого переохолодження. Число центрів обмежене й процес кристалізації реалізується за рахунок їхнього інтенсивного зростання до великого розміру.




Ріст кристалів у другій зоні має спрямований характер. Вони ростуть перпендикулярно стінкам ізложниці, утворяться деревоподібні кристали - дендрити (мал. 3.8). Ростуть дендрити з напрямком, близьким до напрямку тепловідводу.


Схема дендрита по Чернову Д.К.

 

Тому що тепловідводу від незакристалізувавшогося металу в середині злитка в різні сторони вирівнюється, то в центральній зоні утворяться великі дендрити з випадковою орієнтацією.


Зони стовпчастих кристалів у процесі кристалізації стикуються, це явище називається транскристалізацією.

Для малопластичних металів і для сталей це явище небажане, тому що при наступній прокатці, малодоходному можуть утворюватися тріщини в зоні стику.

У верхній частині злитка утвориться усадочна раковина, що підлягає відрізку й переплавленні, тому що метал більше пухкий (близько 15...20 % від довжини злитка)

Методи дослідження металів: структурні й фізичні

Метали й сплави мають різноманітні властивості. Використовуючи один метод дослідження металів, неможливо одержати інформацію про всі властивості. Використовують кілька методів аналізу.


Визначення хімічного складу.

 

Використовуються методи кількісного аналізу.

1. Якщо не потрібно великої точності, то використовують спектральний аналіз.

Спектральний аналіз заснований на розкладанні й дослідженні спектра електричної дуги або іскри, штучно порушуваної між мідним електродом і досліджуваним металом.

Запалюється дуга, промінь світла через призми попадає в окуляр для аналізу спектра. Колір і концентрація ліній спектра дозволяють визначити зміст хімічних елементів.

Використовуються стаціонарні й переносні стилоскопи.

2. Більше точні відомості про сполуку дає рентгеноспектральний аналіз.

Проводиться на мікроаналізаторах. Дозволяє визначити сполука фаз сплаву, характеристики дифузійної рухливості атомів.

 

Вивчення структури.


Розрізняють макроструктуру, мікроструктуру й тонку структуру.

1. Макроструктурний аналіз – вивчення будови металів і сплавів неозброєним оком або при невеликому збільшенні, за допомогою лупи.

Здійснюється після попередньої підготовки досліджуваної поверхні (шліфування й травлення спеціальними реактивами).

Дозволяє виявити й визначити дефекти, що виникли на різних етапах виробництва литих, кованих, штампованих і качаних заготівель, а також причини руйнування деталей.

Установлюють: вид зламу (грузлий, тендітний); величину, форму й розташування зерен і дендритів литого металу; дефекти, що порушують сплошность металу (усадочну пористість, газові міхури, раковини, тріщини); хімічну неоднорідність металу, викликану процесами кристалізації або створену термічною й хіміко-термічною обробкою; волокна в деформованому металі.

2. Мікроструктурний аналіз – вивчення поверхні за допомогою світлових мікроскопів. Збільшення – 50…2000 раз. Дозволяє виявити елементи структури розміром до 0,2 напівтемний.

Зразки - мікрошліфи із блискучою полірованою поверхнею, тому що структура розглядається у відбитому світлі. Спостерігаються мікротріщини й неметалічні включення.

Для виявлення мікроструктури поверхню труять реактивами, що залежать від сполуки сплаву. Різні фази протравлюються неоднаково й офарблюються по різному. Можна виявити форму, розміри й орієнтування зерен, окремі фази й структурні тридцятилітні.

Крім світлових мікроскопів використовують електронні мікроскопи з великою роздільною здатністю.

Зображення формується за допомогою потоку швидко, що летять електронів. Електронні промені з довжиною хвилі (0,04…0,12)·10^-8см дають можливість розрізняти деталі об'єкта, по своїх розмірах відповідні міжатомним відстаням.

Просвітчасті мікроскопи. Потік електронів проходить через досліджуваний об'єкт. Зображення є результатом неоднакового розсіювання електронів на об'єкті. Розрізняють непрямі й прямі методи дослідження.

При непрямому методі вивчають не сам об'єкт, а його відбиток - кварцовий або вугільний зліпок (репліку), що відображає рельєф мікрошліфа, для попередження вторинного випромінювання, що спотворює картину.

При прямому методі вивчають тонкі металеві фольги, товщиною до 300 мм, на просвіт. Фольги одержують безпосередньо з досліджуваного металу.

Растрові мікроскопи. Зображення створюється за рахунок вторинної емісії електронів, випромінюваних поверхнею, на яку падає безупинно, що переміщається по цій поверхні потік, первинних електронів. Вивчається безпосередньо поверхня металу. Роздільна здатність трохи нижче, ніж у просвітчастих мікроскопів.

3. Для вивчення атомно-кристалічної будови твердих тіл (тонка будова) використовуються рентгенографічні методи, що дозволяють встановлювати зв'язок між хімічним складом, структурою й властивостями тіла, тип твердих розчинів, мікронапруги, концентрацію дефектів, щільність дислокацій.

 

Фізичні методи дослідження

 

1. Термічний аналіз заснований на явищі теплового ефекту. Фазові перетворення в сплавах супроводжуються тепловим ефектом, у результаті на криві охолодження сплавів при температурах фазових перетворень спостерігаються крапки перегину або температурні зупинки. Даний метод дозволяє визначити критичні крапки.

2.Дилатометрический метод.

При нагріванні металів і сплавів відбувається зміна об'єму й лінійних розмірів - теплове розширення. Якщо зміни обумовлені тільки збільшенням енергії коливання атомів, то при охолодженні розміри відновлюються. При фазових перетвореннях зміни розмірів - необоротні.

Метод дозволяє визначити критичні крапки сплавів, температурні інтервали існування фаз, а також вивчати процеси розпаду твердих розчинів.

3.Магнітний аналіз.

Використовується для дослідження процесів, пов'язаних з переходом з парамагнітного стану у феромагнітне (або навпаки), причому можливо кількісну оцінку цих процесів.