Размножение дислокаций. Источник Франка-Рида

 

Под действием напряжения τ в процессе пластической деформации плотность дислокаций возрастает от 10⁶–10⁸ см^-2 до 10¹⁰–10¹²см^-2. Установлено, что одними в качестве их генераторов служат источники Франка-Рида.

Под действием силы f = t b закрепленная между узлами А и В дислокация выгибается в направлении вектора Бюргерса b. Т.к. сила f, действующая на дислокацию, перпендикулярна линии дислокации, то дислокация будет выгибаться до образования дислокационных петель, которые, сливаясь, разрываются с образованием новой дислокации и дислокационного кольца. Под действием силы f новая дислокация будет генерировать другую дислокацию, в результате чего их плотность будет возрастать.

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в 2-х других измерениях. Границы зерен или большеугловые границы представляют собой переходные области шириной до 10 межатомных расстояний, в которых кристаллическая решетка одного зерна переходит в кристаллическую решетку другого. На поверхностях еще скапливаются различные примеси.

Границы субзерен или субграницы представляют собой скопления дислокаций, разделяющие зерно на субзерна размером 10^-2 – 10^{-4 мм, например, при полигонизации.}

Объемные дефекты

Объемныедефекты представляют собой неметаллические включения, поры, трещины и т.п., которые являются концентраторами напряжений и значительно снижают вязкость и пластичность металлов и сплавов.

Основные сведения из теории диффузии

Диффузия – направленное перемещение атомов внутри кристалла за счет тепловой энергии. Движущей силой диффузии служит градиент концентрации dc / dx в гомогенных сплавах или градиент химического потенциала d m / dx – в гетерогенных сплавах.

    Основным (преобладающим) механизмом диффузии являются вакансионный и межузельный.

Восходящаядиффузия наблюдается в гетерогенных сплавах, например, при эвтектоидном превращении аустенита в перлит (механическая смесь феррита и цементита), когда атомы углерода диффундируют в направлении, более высокой его концентрации, где образуется цементит.

Самодиффузия представляет собой самопроизвольное перераспределение атомов в кристалле металла или сплава, не сопровождающееся переносом массы.

Диффузия по дислокациям и границам зерен

Линейные дефекты – дислокации и поверхностные – границы зерен и субзерен представляют собой протяженные области искаженной кристаллической решетки, благоприятные для диффузии примесных атомов. При этом энергия активации диффузии этих атомов примерно в два раза меньше, чем энергия активации для объемной диффузии. Такая диффузия играет важную роль при сравнительно низких температурах, когда вакансионная диффузия протекает очень медленно.

Пластическая деформация

Пластическая деформация – это необратимое изменение формы и размеров металла под действием внешней силы. Атомным механизмом пластической деформации служит движение дислокаций.

Под действием касательного напряжения t происходит упругое смещение экстраплоскости 1 - 1 в положение 1- 1^!, что приводит к переброске атомной связи 3 - 2^! в положение 3 - 1^!1 и перемещению дислокации в плоскости скольжения на одно межатомное расстояние. При выходе дислокации на границу кристалла произойдет сдвиг верхней части кристалла относительно нижней на период решетки а, т.е. произойдет его пластическая деформация.

Таким образом, пластическая деформация в металлах происходит не путем одновременного смещения всех атомов, лежащих в плоскости скольжения, а путем последовательного перемещения межатомных связей, выражающегося в движении дислокаций.

Дислокаций вызывает макроскопическую деформацию в виде скольжения или двойникования.

Скольжение выражается смещением атомных слоев относительно друг друга, что проявляется в полосах скольжения, расстояние между которыми в среднем составляет 1 мкм (микрометра), в то время, как расстояния между атомами порядка 10^-4 мкм.

 

а                                                  б

Рис. Виды макроскопической деформации:

а - скольжение; б - двойникование

Двойникование происходит таким образом, что одна часть кристалла становится зеркальным отображением другой части. Двойникование также осуществляется путем движения двойникующих дислокаций. Оно обычно происходит тогда, когда деформация скольжения затруднена. Наиболее часто двойникование наблюдается в металлах и сплавах с ГПЦ и ОЦК решетками, особенно в условиях низких температур и высокой скорости деформации. На микрошлифах двойники видны в виде параллельных полос.

Кристаллизация металлов

 

Представляет собой процесс перехода из жидкого состояния в твердое. Она протекает в условиях, когда свободная энергия кристалла меньше свободной энергии жидкой фазы, что обеспечивается некоторым переохлаждением.

 

Рис. Изменение свободной энергии и кривая охлаждения

         при кристаллизации металлов:

T_s – теоретическая температура кристаллизации или плавления (или температура равновесия);

T _пл – температура плавления;

Т_кр – температура кристаллизации;

G – свободная энергия Гибса;

 - степень переохлаждения

    Движущей силой кристаллизации служит уменьшение свободной энергии Гибса G, т.е.

При T_s превращение не происходит, т.к. разность свободных энергий равна нулю.

Степенью переохлаждения  называется разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации. При кристаллизации (выделение кристаллов) выделяется энергия, что приводит к появлению площадки на кривой охлаждения. Степенью переохлаждения  зависит от скорости охлаждения, природы и чистоты металла и колеблется от обычных 10…30 ⁰С до сотен градусов.

Механизмы кристаллизации

При температурах, близких к Т_кр, в жидком металле возможно образование флуктуаций (группировок атомов) с ближним порядком, в которых атомы расположены как в кристаллах. Флуктуации размером > а_кр могут превращаться в центр кристалла – зародыш. Такое самопроизвольное образование зародышей называется гомогенной кристаллизацией. Если же зародышами служат примеси – окислы, неметаллические включения – или неровности поверхности изложения или литейных форм, то такая кристаллизация называется гетерогенной.

В целом процесс кристаллизации состоит из стадий непрерывного образования зародышей и их роста до взаимного соприкосновения.

Рис. Схема кристаллизации металлов:

а- образование зародышей; б,в – образование новых зародышей и рост кристаллов; г – взаимное соприкосновение кристаллов

 

Каждой степени переохлаждения или температуре кристаллизации Т_кр соответствует определенный критический размер зародыша а_кр, рост которого термодинамически выгоден. При размерах меньше а_кр зародыш растворяется в расплаве, т.к. его свободная энергия выше, чем энергия расплава.

Фактический размер кристаллов определяется соотношением скорости роста кристаллов V _{С.К .} и скорости образования числа центров кристаллизации V _чц.

 

Рис. Влияние степени переохлаждения на скорость образование центров кристаллизации (Vчц) и скорость роста кристаллов (Vск)

 

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще всего в процессе кристаллизации образуются кристаллы древовидной формы – дендриты.