Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство (стр. 8 )

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 ТS речовина повинне перебувати в рідкому стані, а нижче ТS – у твердому.

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