|
Если один из атомов, расположенных около вакансии, получает от соседних атомов избыток энергии то он преодолевает потенциальный барьер Ем и перемещается в соседний свободный узел, т. е. атом и вакансия обменивается местами (Рис.). Т. о. осущ-ся миграция вакансий.
Вакансии появляются и исчезают на других дефектах решетки. Тепловые вакансии образуются в основном на свободной поверхности кристалла. Большое количество точечных дефектов образуются при пластической деформации, а также при облучении кристаллов частицами с большой энергией.
Поле напряжений, которое создает вакансия в кристалле является близкодействующим. Поэтому взаимодействие между вакансиями на больших расстояниях отсутствует. На близком расстоянии две вакансии всегда притягиваются, образуя дивакансию. Подвижность дивакансий больше, чем подвижность одиночных вакансий. Возможно также образование тривакансий.
Линейные дефекты. Особым и важным видом линейных несовершенств кристалла являются дислокации. В результате сдвига выше плоскости скольжения оказывается на одну вертикальную плоскость больше, чем ниже ее (рис.). Такую неполную плоскость называют экстраплоскостью. Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой дислокацией (ядром дислокации).
|
Дислокацией называется линейное несовершенство, являющееся границей зоны сдвига внутри кристалла. Эта граница отделяет ту часть плоскости скольжения, где сдвиг прошел, от той части, где он еще не начинался.
Экспериментально было установлено, что на полированной поверхности кристалла после деформации остаются следы в виде линий сдвига (линии скольжения). Сдвиги происходят по наиболее плотноупакованным плоскостям ({111} - ГЦК, {0001} - ГП). Скольжение в определенной плоскости начинается тогда, когда касательное напряжение в ней достигает некоторой критической величины, называемой скалывающим напряжением.
Движение дислокации перпендикулярно экстра плоскости называют скольжением или консервативным движением, вдоль - перпендикулярно плоскости скольжения - переползанием или неконсервативным движением.
Винтовая дислокация. Возьмем идеальный кристалл, надрежем его вдоль какой-нибудь плоскости и сместим одну часть кристалла относительно другой. Появляется дефект, который называют винтовой дислокацией. Название винтовой дислокации связано с тем, что ее введение в кристалл превращает семейство параллельных атомных плоскостей в сплошную винтовую поверхность.
Смешанная дислокация, как следует из ее названия, может быть разложена на краевую и винтовую составляющие.
Чтобы оценить степень искаженности решетки, вызванной дислокацией, следует сравнить несовершенный кристалл, содержащий дислокацию, с совершенным кристаллом. Для этого строят контур Бюргерса. Контуром Бюргерса называется замкнутый контур произвольной формы, построенный в реальном кристалле путем последовательного обхода дефектов от атома к атому в совершенной области кристалла. Сумма всех упругих напряжений, накопившаяся при обходе по контуру Бюргерса проявляется в виде невязки, когда соответствующий контур строят в совершенном кристалле. Поэтому вектор Бюргерса, замыкающий в совершенном кристалле контур Бюргерса, является мерой той искаженности решетки в несовершенном кристалле, которая вызвана дислокацией. Вектор Бюргерса определяет энергию дислокации, действующие на дислокацию силы, величину связанного с дислокацией сдвига, влияет на подвижность дислокации.
Вектор Бюргерса имеет ряд особенностей:
1. Нормален к линии краевой дислокации и параллелен линии винтовой дислокации. Вдоль линии смешанной дислокации угол между ней и вектором Б. в разных точках имеет разную величину.
2. У дефектов не дислокационного типа равен нулю.
3. Одинаков вдоль всей линии дислокации. Отсюда следует, что дислокация не может обрываться внутри кристалла.
4. и линия дислокации однозначно определяют возможную плоскость скольжения.
Поверхностные дефекты. К поверхностным дефектам относятся границы зерен и субзерен. Границей зерен, а также субзерен, называют поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией. Эта поверхность является двухмерным дефектом, имеющим макроскопические размеры в двух измерениях и атомные - в третьем измерении. Взаимную ориентацию соседних зерен часто характеризуют, указывая общее для обоих зерен кристаллографическое направление (u v w) и угол поворота вокруг него, который приводит к параллельности решеток соседних зерен.
Границы с разориентацией соседних зерен менее ~10о относят к малоугловым, а с большей разориентацией - к высокоугловым (большеугловым). Малоугловые границы образованы системами дислокаций и подразделяются на границы кручения и наклона.
Кристаллизация металлов. Строение металлического слитка.
Переход металла из жидкого состояния в кристаллическое наз-ся кристаллизацией. Кристаллизация происходит, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией
В условиях небольшого изменения объема F = U - TS , где U - полная энергия системы, S - энтропия и Т - температура.
|
Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояний в зависимости от температуры можно представить в графическом виде (Рис.). Выше Тпл устойчив жидкий металл, ниже твердый. При Тпл свободная энергия обеих состояний равны. Т. е. Температура Тпл является равновесной температурой кристаллизации (или плавления), при которой обе фазы могут сосуществовать одновременно и бесконечно долго. Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Он начнется лишь тогда, когда появится разность свободных энергий между жидким и твердым состоянием. Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тпл. Разность температур DТ = Тпл - Ткр называется степенью переохлаждения.
Рассмотрим условия образования и роста кристаллов из расплава. Образование и рост зародышей (или центра кристаллизации) возможен лишь при условии, если уменьшается свободная энергия системы. В процессе кристаллизации свободная энергия системы с одной стороны уменьшается из-за перехода жидкого металла в твердый (см. пред. рис.), на величину DFобъ= VDf, а с другой стороны возрастает из-за появления поверхности раздела с избыточной энергией на DFпов= Ss Общее изменение свободной энергии
DF = -DFобъ + DFпов = - VDf + Ss (1)
Если условно принять, что зародыш имеет кубическую форму, то DF = - а3mDf +6a2ms , где m - число зародышей. Если это уравнение исследовать на максимум, то можно найти aкр=4s/Df. Минимальный размер зародыша, способный к росту при данных температурных условиях называется критическим размером зародыша. На образование критического зародыша расходуется работа, величину которой можно определить из уравнения (1) подставив значение aкр. DFкр = (1/3)Ss., т. е. эта работа равна 1/3 поверхностной энергии.
|
Следовательно, уменьшение объемной свободной энергии при кристаллизации недостаточно для образования критического зародыша. Она лишь на 2/3 компенсирует энергетические затраты, связанные с образованием поверхности раздела. Откуда остальная энергия?
В малых объемах всегда существует некоторое количество атомов, имеющих большую или меньшую энергию от средней. Эти случайные и временные отклонения энергии от средней величины при данной температуре называется флуктуацией энергии. Эти флуктуации способствуют получению энергии, требуемой для образования зародыша критического размера.
Рассмотрим скорость образования зародышей. Ясно, что чем меньше требуется флуктуация энергии для образования зародыша, тем больше вероятность образования зародышей. W1 µ exp(-DFкр/kT). (Рис.) С другой стороны вероятность образования зародышей критического размера зависит от подвижности атомов в расплаве, которая уменьшается с увеличением DТ. Вероятность перехода атома из жидкой фазы в твердую при образовании зародыша W2 µ exp(-E./kT), где E - энергия активации самодиффузии. Скорость образования зародышей n пропорциональна вероятности сложного события, состоящего из возникновения флуктуации необходимого размера и перехода атомов из жидкой фазы в твердую. Как известно W= W1W2. Кривая проходит через максимум при увеличении скорости переохлаждения.
Форма кристаллов, образующихся при кристаллизации. Структура слитка.
Кристаллы бывают равноосной формы, пластинчатые, игольчатые, в виде сфероидов, дендритов. При затвердевании сначала растут главные оси: первого порядка, затем - оси побочные: второго и последующих порядков. Главные и побочные оси дендритов всегда растут в определенном кристаллографическом направлении: в металлах и сплавах с ГЦК и ОЦК решеткой - в направлении <100>. При этом они образуют наименьший угол с направлением теплоотвода.
Структуру слитка впервые исследовал Д. К. Чернов, который обнаружил, что слиток стали состоит из трех зон кристаллитов: 1 - мелких (снаружи), 2 - столбчатых и 3 - крупных беспорядочно ориентированных (в середине). 1 зона образуется в результате очень быстрого охлаждения жидкого металла при соприкосновении его с изложницей. Значительное переохлаждение приводит к образованию мелких дендритов, у которых оси первого порядка ориентированы беспорядочно. Рост первой зоны быстро прекращается, поскольку выделяющаяся скрытая теплота повышает температуру жидкого металла у фронта рекристаллизации. К этому моменту устанавливается хорошо направленный отвод тепла, перпендикулярный стенке изложницы и при дальнейшем охлаждении дендриты растут по направлению к середине слитка, образуя столбчатую зону. Быстрее растут дендриты, где направление теплоотвода совпадает с направ-ем максимальной скорости роста <100>. В результате получается текстура литья.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 |
Основные порталы (построено редакторами)