Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край «лишней» полуплоскости.

Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

 

 

Винтовая дислокация

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация

 

Плотность дислокаций

Свойства кристаллов зависят от количества дефектов, которые формируют понятие «плотность дислокаций». Плотность дислокации – это суммарная длина всех линий дислокации в одном кубическом сантиметре кристалла.

 

Существует связь между свойствами металла и плотностью дефектов

Рис. 13. Зависимость предела прочности от плотности дефектов

 

Пути повышения прочности металлов

 

Лекция 2

 

«Формирование структуры литых металлов»

 

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях:

* Твердом

* Жидком

* Газообразном

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.

Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией.

 

Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно – самопроизвольная кристаллизация.

 

Или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации – несамопроизвольная кристаллизация.

Самопроизвольная кристаллизация обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением свободной энергии или термодинамического потенциала.

 

 

Чем объяснить существование при одних температурах жидкого, а при других температурах твердого состояния и почему превращение происходит при строго определенных температурах?

 

В природе все самопроизвольно протекающие процессы, а, следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии. Это можно пояснить примером:

Тяжелый шарик из положения 1 стремиться попасть в более устойчивое положение 2, т.к. в положении 2 потенциальная энергия меньше, чем в положении 1.

 

Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

 

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рис.

Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

 

 

В соответствии с этой схемой выше температуры Т_S вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Т_S – в твердом.

 

При температуре равной Т_S жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура Т_S – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

 

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Т_S.

 

 

Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

* Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения.

* Процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое можно изобразить графически в координатах температура – время по так называемым кривым охлаждения

 

Кривая охлаждения

Кривая охлаждения имеет следующий вид:

Д.К. Чернов, изучая структуру литой стали указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

 

 

зарождения мельчайших зародышей или центров кристаллизации

 

роста кристаллов из этих центров

 

Этот процесс можно изучать с помощью рассмотрения моделей (схем), что успешно применялось Миркиным И.Л.

 

Предположим, что на некоторой площади за 1 сек возникает 5 центров кристаллизации, которые растут с определенной скоростью. К концу 1-ой сек образовалось 5 зародышей, к концу «-й они выросли и возникло еще 5 зародышей, к концу 2-й они выросли и так далее. Так в результате возникновения зародышей и их роста происходит процесс кристаллизации.

 

 

 

При образовании кристаллы растут свободно, они могут иметь геометрически правильную форму. При столкновении же растущих кристаллов их правильная форма нарушается. В результате этого при после затвердевания кристаллы имеют неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами.

Условия получения мелкозернистой структуры

 

Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.

 

 

Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.

 

При равновесной температуре кристаллизации Т_S число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.

 

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей т. а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая).

 

При переохлаждении до температуры соответствующей т. в – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).

Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения

 

 

Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды.

 

Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.

 

Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.

 

Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы

 

По механизму воздействия различают:

 

 

Вещества, не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.

 

Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

 

Строение металлического слитка

* Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.

Слиток состоит из трех зон:

 

1. мелкокристаллическая корковая зона

2. зона столбчатых кристаллов

3. внутренняя зона крупных

равноосных кристаллов.

 

 

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.

 

Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Дендрит

 

 

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты.

 

 

Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

 

Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.

 

Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.

 

Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

 

В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый.