Влияние способов укладки на свойства кристаллов

 

Примеры:

1. Явление теплового расширения (при нагреве все кристаллические тела расширяются из-за усиления амплитуды колебания атомов). Чем плотнее уложены атомы в решетке, тем интенсивней тепловое расширение, α_ГЦК > α_ОЦК.

2. Явление анизотропии (различных свойств в кристаллической решетке в зависимости от направления). Чем симметричней решетка, тем меньше проявляется анизоропия (ОЦК – самая изотропная, ГПУ – самая анизотропная).

Примечание:

 

 

4. Явление полиморфизма (несколько решеток у одного и того же вещества)

Благодаря полиморфизму:

1) в сплавах железа и титана можно используя быстрое охлаждение (закалку) получить необходимые структуры и особую прочность;

2) можно в некоторых сплавах получить явление памяти формы:

● при нагреве получить требуемую форму изделия

исходная кристаллическая решетка;

● с помощью деформации придать форму, удобную для применения

новая решетка подвержена влиянию деформации;

● при нагреве в условиях эксплуатации изделия принимать прежнюю форму

рис.15 (см. выше)

восстанавливается исходная решетка.

Применение:

- сосудорасширители (36,6°);

- датчики пожаротушения (40-50°);

- соединение термопроводников без сварки (комнатная температура);

- антенны (80-110°);

Чтобы реализовать явление памяти формы, нужно:

- специальные материалы, у которых решетка меняется при нагреве и деформации (полиморфные) – нитинолы - 50% Ni + 50%Ti + добавки;

- для получения третьей стадии памяти формы необходимо две стадии обработки.

 

 

Глава 2. Особенности строения реальных кристаллов

 

В реальных кристаллах расположенные частицы не являются строго регулярными, т.к. в решетке есть дефекты и атомы разных компонентов.

 

Дефекты кристаллической решетки

 

1. Точечные дефекты (соизмеримые с периодом решетки)

Вакансии – не занятые узлы, возникают:

- при повышении температуры;

- при облучении.

Значение: вакансии создают условия для перемещения атомов в решетке, если есть не занятый узел, то атомы могут перемещаться, следовательно, происходит диффузия.

Чем выше температура, тем больше вакансий, С_V ~ e^-Q/(kT) ≈ e^T.

 

2. Линейные дефекты (один размер >> других)

Дислокация – недостроенная плоскость, длина ее искажена.

АЕ – вектор Бюргерса, показывает:

- меру искаженности;

- направление, в котором перемещается дислокация.

Дислокации возникают при:

- кристаллизации расплава;

- пластической деформации.

Значение: дислокации создают условия для пластической деформации кристалла.

 

Линейные и точечные дефекты есть в любом кристалле.

 

3. Поверхностные дефекты (только в поликристаллах)

Возникают при кристаллизации Ме.

Значение: облегчают перемещение атомов, как туннель скапливают все вредные примеси.

Выводы:

1. Вблизи любого дефекта решетка искажена, атомы смещены от положительного равновесия (межатомное взаимодействие более сильное), соответственно, все дефекты создают дополнительное упрочнение:

рис.19

 

Предельное количество дефектов 10¹⁴.

σ₀ – предел текучести материала с обычным количеством дефектов (10⁶).

 

1. Чем мельче зерно, тем больше суммарная протяженность границ, тем выше дополнительное упрочнение, σ_y = σ₀ + K/D_зерна^1/2. Последнее слагаемое характеризует дополнительное упрочнение.

 

1. Дефекты создают условия для диффузии и пластической деформации, следовательно, позволяют воздействовать на строение и свойства кристаллов.

 

Строение сплавов

 

Сплавы – все, что состоит из сплавов кристаллов.

Фаза – обособленная часть сплава, имеющая собственное строение, состав, свойства.

Фазы бывают двух видов – твердые растворы и промежуточные фазы.

 

 

1. Твердые растворы

 

Это фазы, при образовании которых атомы В расположен в решетке атомов А – решетке растворителя. Всегда переменный состав.

 

Твердые растворы бывают:

 

1) растворами замещения, атомы В стоят в узлах вместо атомов А.

Условие для твердых растворов замещения: если < 7-8% и решетки одинаковы, то растворимость неограниченна, если = 8-15%, то она ограничена, если > 15%, то вещества нерастворимы.

2) растворами внедрения, когда атомы В стоят между узлами или в порах атомов А.

Условие для твердых растворов внедрения: R_B ≤ 0,59R_A. Например,

R_{поры ГЦК} ≤ 0,41R_A, R_{поры ОЦК} ≤ 0,29R_A.

 

Вывод: вблизи любого растворенного атома решетка искажена, поэтому они вносят дополнительное упрочнение.

 

, где

σ₀ – упрочнение растворителя;

- дополнительное упрочнение;

х – процент атомов В.

 

Аксиома: любой твердый раствор всегда прочнее растворителя. Также прочны твердые растворы внедрения.

 

2. Промежуточные фазы

 

Имеют собственную кристаллическую решетку, отличную от решеток А и В, обозначаются А_nВ_n (фаза постоянного состава), ω (фаза переменного состава).

Есть два класса:

1. Ме-Ме.

Пример:

● Электронные фазы l/n (3/2, 21/13, 7/4), где l – число валентных электронов, n – число атомов, например, CuZn, Cu₅Zn₈, CuZn₃;

● Фазы Лавеса А₂В, если R_B>>R_A (20%), например, Fe₂Mo.

 

2. Ме-нМе.

Пример:

FeO, FeS;

Cr₂₃C₆, TiC, W₂C – карбиды;

Fe₂N, Fe₄N – нитриды;

Супертвердые вещества.

 

Вывод: если промежуточная фаза образуется, то связи А с В сильнее, чем А-А и В-В, значит, связи будут более прочные, как правило прочнее, чем А-А и В-В.

 

Реальные кристаллы всегда имеют искаженную решетку. Чем выше суммарное искажение, тем кристаллы будут прочнее. Но одновременно будет ниже пластичность, электропроводность, хуже электропроницаемость, магнитные свойства, коррозионная стойкость.

 

Структура:

1. Макроструктура (визуально) – изломы, трещины.

2. Микроструктура (оптический микроскоп, увеличение до 2000 раз, видны частицы фаз).

3. Тонкая структура (электронный микроскоп, увеличение до 1000000 раз, видны дефекты).