 |
Аллотропия или полиморфные превращения
|
|
|
|
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.
Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо.
t <911°С – ОЦК – Fe α;
911<t1392°С – ГЦК – Fe γ;
1392 <t < 1539 °С – ОЦК – Feδ (высокотемпературное Fe α).
Переход из одной модификации (
) в другую протекает при 
и сопровождается тепловым эффектом.
Примером аллотропического изменения, вызванного изменением давления, является углерод: при низком давлении образуется графит, а при высоком – алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.
Магнитные превращения
Некоторые металлы имеют свойство намагничиваться под действием магнитного поля, после снятия которого они обладают остаточным магнетизмом. Это явление установлено на железе и названо ферромагнетизмом. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.
При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определённой температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – 763° С). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.
Выводы по лекции
В технике под металлами понимают вещества, обладающие комплексом общих свойств: характерным металлическим блеском, высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой пластичностью и др. Такими же свойствами обладают и металлические сплавы. Применение различных металлов и их сплавов в той или иной области техники определяется их физическими, химическими, технологическими и механическими свойствами.
|
|
|
Обязательным признаком металла является твердое его состояние. При твердом состоянии происходит упорядоченное размещение в пространстве отдельных частиц – атомов, ионов, молекул, образующих в своем сочетании подобие правильной кристаллической решетки.
Вопросы для самопроверки
1. Какие свойства относятся к механическим, физическим, химическим, технологическим и эксплуатационным?
2. Назовите основные параметры элементарной ячейки.
3. Какие существуют типы кристаллических решеток?
4. Что такое изотропия и анизотропия?
5. Что такое аллотропия? Приведите пример.
ТЕМА 2. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
План лекции
1. Точечные дефекты
2. Линейные дефекты
3. Поверхностные дефекты
В реальном кристалле всегда имеются дефекты строения, которые подразделяются по геометрическим признакам на точечные (нульмерные), линейные (одномерные) и поверхностные (двухмерные).
Точечные дефекты
Эти дефекты (рисунок 3) малы во всех трех измерениях, и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся вакансии, или «дырки» (дефекты Шотки), т. е. узлы решетки, в которых атомы отсутствуют. Вакансии чаще образуются в результате перехода атомов из узлов решетки на поверхность (границу зерна, пустоты, трещины и т.д.) или их полного испарения с поверхности кристалла и реже в результате перехода в междоузлие. В кристалле всегда имеются атомы, кинетическая энергия которых значительно выше средней, свойственной данной температуре нагрева. Такие атомы, особенно расположенные вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, находящиеся дальше от поверхности, а принадлежавшие им узлы окажутся свободными, т.е. возникнут тепловые вакансии.
|
|
|
С повышением температуры концентрация вакансий возрастает. Количество вакансий при температуре, близкой к плавлению, может достигать 1% по отношению к числу атомов в кристалле. Быстрым охлаждением от данной температуры можно зафиксировать эти вакансии при нормальной температуре (закалка вакансий).
При данной температуре в кристалле создаются не только одиночные вакансии (рисунок 3, б) но и двойные, тройные и более крупные.
Вакансии образуются и в процессе пластической деформации, а также при бомбардировке металла атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронное облучение в ядерном реакторе).
Межузельные атомы (дефекты Френкеля). Эти дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетки в междоузлие (рисунок 3, а). На месте атома, вышедшего из узла решетки в междоузлие, образуется вакансия.
Рисунок 3. Точечные дефекты в кристаллической решетке
Точечные несовершенства кристаллической решетки появляются и в результате действия атомов примесей, которые, как правило, присутствуют даже в самом чистом металле.
Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки (рисунок 3, в, г). Смещения (релаксация) вокруг вакансий возникают только в первых двух слоях соседних атомов и составляют доли межатомного расстояния. Вокруг межузельного атома в плотноупакованных решетках смещение соседей значительно больше, чем вокруг вакансий.
Точечные дефекты Шоттки и Френкеля оказывают влияние на некоторые физические свойства металла (электропроводность, магнитные свойства и др.) и предопределяют процессы диффузии в металлах и сплавах.
Линейные дефекты
Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Кристаллическая решетка с краевыми дислокациями показана на рисунке 4.
Краевая дислокация (рисунок 4 б, в) представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа.
|
|
|
Наиболее простой и наглядный способ образования дислокации в кристалле – сдвиг (рисунок 4, а). Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировать положение, при котором сдвиг охватывает не всю плоскость скольжения, а только часть ее ABCD, то граница АВ между участком, где скольжение уже произошло, и не нарушенным участком в плоскости скольжения и будет дислокацией (рисунок 4, а). Как видно из рисунка 4, линия краевой дислокации перпендикулярна вектору сдвига.
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают ┴ (рисунок 4, в), а если в нижней – то отрицательной и обозначают ┬ (рисунок 4, г). Различие между положительной и отрицательной дислокацией чисто условное. Переворачивая кристалл, мы превращаем отрицательную дислокацию в положительную. Знак дислокации важен при анализе их взаимодействия.
Кроме краевых различают еще винтовые дислокации. Винтовые дислокации в отличие от краевых располагаются параллельно направлению сдвига (линия AD на рисунке 5). При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. На рисунке 5, б показано расположение атомов на винтовой поверхности вдоль винтовой дислокации.
Рисунок 4. Краевые дислокации:
а – сдвиг, создавший краевую дислокацию; б – пространственная схема краевой дислокации; в, г – схемы расположения атомов у дислокации.
Дислокации окружены полями упругих напряжений, вызывающих искажение кристаллической решетки. В краевой дислокации выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края – больше.
Энергия искажения кристаллической решетки является одной из важнейших характеристик дислокации любого типа. Чтобы оценить степень искажения решетки, вызванной линейной дислокацией, следует сравнить совершенный кристалл с кристаллом, содержащим дислокацию. Критерием этого искажения служит вектор Бюргерса.
|
|
|
Рисунок 5. Винтовая дислокации:
а – сдвиг, создавший винтовую дислокацию; б – расположение атомов
Для определения вектора Бюргерса краевой дислокации (рисунок 6) проведем вокруг дислокации контур ABCDE. Контур проводят так, чтобы от точки А против часовой стрелки равномерно отложить, например, по шесть межатомных расстояний снизу вверх: АВ, ВС, CD и DE. Контур замкнется на участке DA, который будет состоять только из пяти отрезков. В кристалле, в котором отсутствовали дислокации, этот участок так же, как и предыдущие, состоял из шести отрезков. Разность протяженности контуров АЕ называют вектором Бюргерса и обозначают b. Разность контуров имеет величину порядка межатомных расстояний (10-8 см).
Рисунок 6. Схема определения вектора Бюргерса для линейной дислокации:
а – схема плоскости реального кристалла;
б – решетка совершенного кристалла
Определение вектора Бюргерса для кристалла, содержащего винтовую дислокацию, производят аналогично. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к ее линии, а у винтовой – параллелен ей. Если вектор Бюргерса охватывает несколько дислокаций, то величина его соответствует геометрической сумме векторов отдельных дислокации. Вектор Бюргерса позволяет найти силы, требуемые для продвижения дислокации, силы взаимодействия и энергию дислокации и т. д.
Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов (при срастании зерен и блоков) из группы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений.
Силовые (упругие) поля дислокации взаимодействуют между собой. Если дислокации, расположенные в одной плоскости скольжения, обладают одинаковым знаком, то они отталкиваются одна от другой (рисунок 7, а); если дислокации разного знака, то они взаимно притягиваются (рисунок 7, б). Сближение дислокации разного знака приводят к их взаимному уничтожению (аннигиляции).
Рисунок 7. Схема взаимодействия дислокаций
Дислокации не могут обрываться внутри кристаллита. Они могут прерываться на других дислокациях или на границах раздела (границы зерен, поверхность кристалла и т. д.). В связи с этим внутри кристалла дислокации образуют замкнутые петли или взаимосвязанные сетки.
Важной характеристикой дислокации является плотность. Подплотностью дислокации понимают суммарную длину дислокации l (см), приходящуюся на единицу объема V кристалла (см3). Таким образом, размерность плотности дислокации (см-2).
|
|
|
Поверхностные дефекты
Эти дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или их блоками (субзернами) поликристаллического металла.
Каждое зерно металла состоит из отдельных блоков, или субзерен, образующих так называемую мозаичную структуру, или субструктуру (рисунок 8, а). Зерна металла обычно разориентированы относительно друг друга на величину, достигающую от нескольких долей градуса (малоугловые границы) до нескольких градусов или нескольких их десятков (высокоугловые границы).
Блоки, или субзерна, повернуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут (малоугловые границы), имеют размеры на три-четыре порядка величины меньше размеров кристаллитов (10-6 – 10-4 см). В пределах каждого блока, или субзерна, решетка почти идеальная, если не учитывать точечных несовершенств. Размеры блоков, или субзерен, оказывают большое влияние на свойства металла.
Границы между отдельными кристаллитами (зернами) представляют собой переходную область шириной в 5-10 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого кристалла, имеющего иную кристаллографическую ориентацию. В связи с этим на границе зерна атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна. Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границах блоков или субзерен.
Границы блоков, а также малоугловые границы зерен образованы дислокациями (рисунок 8, а). С увеличением угла разориентировки блоков или субзерен и уменьшения их величины плотность дислокации в металле увеличивается. Вследствие того, что в реальном поликристаллическом металле протяженность границ блоков и зерен очень велика, количество дислокаций в таком металле огромно (104 – 1012 см-2). Атомы на границах зерен (или субзерен) имеют повышенную потенциальную энергию. Такую повышенную энергию имеют и атомы, расположенные на поверхности кристалла, вследствие нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия.
Рисунок 8 – Блочная (мозаичная) структура металла:
а – схема зерна и блочной структуры, б – реальная блочная структура металла (
20000); в – дислокационная структура границ блоков ниобия ( 44000)
Плотность дислокации экспериментально определяют путем подсчета числа выходов дислокации, пересекающих единицу площади металлографического шлифа. При травлении металлографического шлифа на его поверхности можно выявить ямки или точки, соответствующие выходу дислокации. Плотность дислокации определяют также непосредственно изучая структуру тонких пленок металла «на просвет» в электронном микроскопе.
Выводы по лекции
Дефекты кристаллического строения металлов подразделяются по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные. Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, к ним относятся вакансии, или «дырки». Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или их блоками (субзернами) поликристаллического металла.
Вопросы для самопроверки
1. Какие дефекты относятся к точечным дефектам?
2. Назовите основные способы образования линейной дислокации
3. Как производится определение вектора Бюргерса?
4. Как взаимодействуют между собой силовые поля линейной дислокации?
5. Какие дефекты относятся к поверхностным дефектам?
|
|
|
