Файл: Materialoznavstvo_2013_pravl_1.doc

Будова перехідного шару сприяє скупченню в ньому дислокацій. На межах зерен підвищена концентрація домішок, які знижують поверхневу енерґію. Проте й усередині зерна ніколи не спостерігається ідеальної будови кристалічної решітки. Є ділянки, розорієнтовані одна щодо іншої на декілька градусів (θ₁). Ці ділянки називаються фраґментами.

2.2. Дислокація, її утворення та види

Основними лінійними дефектами є дислокації. Апріорне уявлення про дислокації вперше використане в 1934 році Егоном Орованом і Бруком Тейлором у ході дослідження пластичної деформації кристалічних матеріалів, для пояснення великої різниці між практичною і теоретичною міцністю металу.

Дислокація – це дефекти кристалічної будови, що є лініями, вподовж і поблизу яких порушено характерне для кристалу правильне розташування атомних площин.

Прості види дислокацій – краєві і ґвинтові.

Краєві дислокації є лініями, вздовж яких обривається усередині кристала край «зайвої» напівплощини (рис. 2.3 а).

τ

а) б)

Рис. 2.3. Краєва дислокація (а) і механізм її утворення (б)

Більшість дислокацій утворюються шляхом механізму зсуву. Її утворення можна описати за допомогою наступної операції. Надрізати кристал по площині Авсd (рис. 2.3 б), зрушити нижню частину щодо верхніх на один період ґрат в напрямі, перпендикулярному АВ, а потім знов зближувати атоми на краях розрізу внизу.

Найбільші спотворення в розташуванні атомів у кристалі мають місце поблизу нижнього краю екстраплощини. Праворуч і ліворуч від краю екстраплощини ці спотворення малі (декілька періодів ґрат), а вздовж краю екстраплощини спотворення тягнуться через увесь кристал і можуть бути дуже великі (тисячі періодів ґрат).

Якщо екстраплощина знаходиться у верхній частині кристалу, то краєва дислокація – позитивна, якщо в нижній, то – негативна. Дислокації одного знаку відштовхуються, а протилежні притягуються.

Інший тип дислокацій був описаний Іоханнесом Мартінусом Бюргерсом, і отримав назву ґвинтова дислокація.

Ґвинтова дислокація утворюється за допомогою часткового зрушення по площині Q навколо лінії EF (рис. 2.4). На поверхні кристалу утворюється сходинка, що проходить від точки Е до краю кристала. Таке часткове зрушення порушує паралельність атомних шарів, кристал перетворюється на одну атомну площину, закручену по ґвинту у вигляді порожнистого гелікоїду навколо лінії EF, яка представляє межу, що відокремлює частину площини ковзання, де зрушення вже відбулося, від частини, де зрушення не починалося. Вздовж лінії EF спостерігається макроскопічний характер області недосконалості, в інших напрямах її розміри складають декілька періодів.

Q

Рис. 2.4. Механізм утворення гвинтової дислокації

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

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

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

Лінії дислокацій не можуть обриватися всередині кристалу – вони повинні або бути замкнутими, утворюючи петлю, або розгалужуватися на декілька дислокацій, або виходити на поверхню кристалу.

Дислокаційна структура матеріалу характеризується щільністю дислокацій.

Щільність дислокацій у кристалі визначається як середнє число ліній дислокацій, що перетинаються усередині тіла 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 складає ρ = 10⁵–10⁷ м^-2, у кристалах із сильно деформованою кристалічною решіткою щільність дислокацій досягає ρ = 10¹⁵–10¹⁶ м^–2.

Щільність дислокації значною мірою визначає пластичність і міцність матеріалу (рис. 2.5). Мінімальна міцність визначається критичною щільністю дислокацій ρ = 10⁵–10⁷ м^-2.

Якщо щільність менше значення ρ, то опір деформації різко зростає, а міцність наближається до теоретичної. Підвищення механічної міцності досягається створенням металу з бездефектною структурою, а також підвищенням щільності дислокацій, що ускладнює їх рух. У даний час створені кристали без дефектів – ниткоподібні кристали завдовжки до 2 мм, товщиною 0,5–20 мкм – «вуса» з міцністю, близькою до теоретичної: межа міцності для заліза σ_В = 13000 МПа, для міді σ_В = 30000 МПа. За зміцнення металів збільшенням щільності дислокацій, вона не повинна перевищувати значень 10¹⁵–10¹⁶ м^-2, інакше утворюються тріщини.

Рис. 2.5. Вплив щільності дислокацій на міцність

Дислокації впливають не тільки на міцність і пластичність, але і на інші властивості кристалів. Зі збільшенням щільності дислокацій зростає внутрішнє напруження, 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 кристалу спеціальними речовинами в місцях виходу дислокацій утворюються ямки.

Дислокації утворюються в процесі побудови кристалів із розплаву або газоподібної фази, зрощення блоків із малими кутами розорієнтованості. За переміщення вакансій усередині кристалу, вони концентруються, утворюючи порожнини у вигляді дисків. Якщо такі диски великі, то енерґетично вигідне «закриття» їх з утворенням по краю диска краєвої дислокації. Утворюються дислокації під час деформації матеріалу, в процесі його кристалізації і термічної обробки.

Розділ 3. Кристалізація металів.
Методи дослідження металів

3.1. Механізм та закони кристалізації металів

Будь-яка речовина може знаходитися в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному. Можливий перехід з одного стану в інший, якщо новий стан у нових умовах є стійкішим, володіє меншим запасом енерґії.

Зі зміною зовнішніх умов вільна енерґія змінюється за складним законом, відмінним для рідкого і кристалічного станів. Характер зміни вільної енерґії рідкого і твердого станів зі зміною температури показаний на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Зміна вільної енерґії в залежності від температури

Відповідно до цієї схеми, вище за температуру Т_s речовина повинна знаходитися в рідкому стані, а нижче Т_s – у твердому.

За температури, що дорівнює Т_s, рідка і тверда фази мають однакову енерґію, метал в обох станах знаходиться 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 і супроводжувався зменшенням вільної енерґії системи. Це можливо за охолоджування рідини нижче за температуру Т_s. Температура, за якої практично починається кристалізація, називається фактичною температурою кристалізації.

Охолоджування рідини нижче за рівноважну температуру кристалізації називається переохолодженням, яке характеризується ступенем переохолодження (∆Т):

Ступінь переохолодження залежить від природи металу, ступеня його забрудненості (чим чистіший метал, тим більший ступінь переохолодження), швидкості охолодження (чим вища швидкість охолодження, тим більша ступінь переохолодження).

Розглянемо перехід металу з рідкого стану в твердий.

У процесі нагрівання всіх кристалічних тіл спостерігається чітка межа переходу з твердого стану в рідкий. Така ж межа існує у процесі переходу з рідкого стану в твердий.

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

Кристалізація протікає в умовах, коли система переходить до термодинамічно стійкішого стану з мінімумом вільної енерґії.

Процес переходу металу з рідкого стану в кристалічний можна зобразити кривими в координатах час – температура. Крива охолодження чистого металу представлена на рис. 3.2.

Т_теор – теоретична температура кристалізації;
Т_кр – фактична температура кристалізації

Рис. 3.2. Крива охолодження чистого металу

Процес кристалізації чистого металу

До точки 1 охолоджується метал у рідкому стані, процес супроводжується плавним зниженням температури. На ділянці 1–2 відбувається процес кристалізації, що супроводжується виділенням тепла, яке називається прихованою теплотою кристалізації. Воно, компенсує розсіювання теплоти в простір, і тому температура залишається постійною. Після закінчення кристалізації в точці 2 температура знову починає знижуватися, метал охолоджується в твердому стані.

3.2. Будова металевого злитку

Схема сталевого злитку, дана Д. К. Черновим, представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема сталевого злитку

Злиток складається з трьох зон:

1. дрібнокристалічна кіркова зона;

2. зона стовпчастих кристалів;

3. внутрішня зона крупних рівноважних кристалів.

Кристалізація кіркової зони йде в умовах максимального переохолодження. Швидкість кристалізації визначається значною кількість центрів кристалізації. Утворюється дрібнозерниста структура.

Рідкий метал під кірковою зоною знаходиться в умовах меншого переохолодження. Кількість центрів обмежена і процес кристалізації реалізується за рахунок їх інтенсивного зростання до великого розміру.

Зростання кристалів у другій зоні має направлений характер. Вони ростуть перпендикулярно стінкам виливниці, утворюються деревовидні кристали – дендрити (рис. 3.4). Ростуть дендрити за напрямом, близьким до напряму тепловідведення.

Рис. 3.4. Схема дендриту за Д. К. Черновим

Оскільки тепловідведення від металу всередині злитку в різні боки вирівнюється, то в центральній зоні утворюються крупні дендрити з випадковою орієнтацією.

Зони стовпчастих кристалів у процесі кристалізації стикуються. Це явище називається транскристалізацією.

Для малопластичних металів і для сталей це явище небажане, оскільки за подальшого пластичного деформування, кування можуть утворюватися тріщини в зоні стику.

У верхній частині злитку утворюється усадкова раковина, яка підлягає відокремленню і переплавленню, оскільки метал більш крихкий (близько 15–20 % від довжини злитку).

3.3. Методи дослідження металів: структурні і фізичні

Метали і сплави мають різноманітні властивості. Використовуючи один метод дослідження металів, неможливо отримати інформацію про всі властивості. Використовують декілька методів аналізу.

3.4. Визначення хімічного складу

Використовуються методи кількісного аналізу.

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

Спектральний аналіз заснований на розкладанні і дослідженні спектру електричної дуги або іскри, що штучно порушується між мідним електродом і досліджуваним металом.

Запалюється дуга, промінь світла через призми потрапляє в окуляр для аналізу спектру. Колір і концентрація ліній спектру дозволяють визначити вміст хімічних елементів.

Використовуються стаціонарні і переносні спектроскопи.

2. Точніші відомості про склад дає рентгеноспектральний аналіз.

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

3.5. Вивчення структури

Розрізняють макроструктуру, мікроструктуру і тонку структуру.

1. Макроструктурний аналіз – вивчення будови металів і сплавів неозброєним оком або за умов невеликого збільшення за допомогою лупи.

Здійснюється після попередньої підготовки досліджуваної поверхні (шліфування і травленням спеціальними реактивами).