Дефекты кристаллического строения или реальное строение атома.

Реальные металлы в своей структуре содержат дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки колеблются. В любой момент в кристалле всегда проявляются атомы, имеющие большую энергию по сравнению с близлежащими атомами. При чем этой энергии хватает не только на то, чтобы атомы вышел из своего узла, но и на то, чтобы он преодолел потенциальные барьеры, выстраиваемые на его пути близлежащими атомами.

В результате узел, из которого вышел атом, остается вакантным. Этот дефект получил название – вакансия. Вышедший атом, попавший в междоузлие – также дефект, получивший название дислоцированный атом.

Как в первом, так и во втором случаях кристаллическая решетка искажается вокруг дефекта на несколько атомных периодов.

Вокруг вакансий решетка как бы искажается, пытаясь залечить вакансию, а вокруг дислоцированного атома – наоборот. Вакансию иначе называют «дыркой».

Линейные дефекты. В отличие от точечных линейные дефекты имеют большую протяженность в одном направлении и малое искажение решетки в других. Линейные дефекты получили название – дислокации.

Дислокации бывают краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

Так же есть и винтовая дислокация; искажение происходит по винтовой плоскости.

Важной характеристикой дислокации является плотность дислокации; представляющая собой суммарную длину дислокации в единице объема ()

В наиболее совершенных кристаллах плотность дислокации равна ρ = 10⁶…10⁸ см^-2.

В деформированных ρ = 10⁶...10⁸см^-2

Поверхностные дефекты. К ним относятся границы зерен, фрагментов, блоков.

Если под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение. Наиболее дефектные участки в структуре – границы зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков 10^-5…10^-6 см. Это так называемые блоки мозаики.

Граница стыков между блоками так же являются дефектными участками в структуре. Блоки можно наблюдать только с помощью электронного микроскопа, увеличивающего в десятки тысяч раз.

Блоки разориентированы друг относительно друга на угол в несколько минут. Блоки могут объединяться в более крупные образования, которые получили названия фрагменты.

 

Кристаллизация металлов.

Все вещества могут находится в 3-х агрегатных состояниях: жидких, твёрдых, газообразных. В чистых металлах, при определённой t-ах происходит изменение агрегатного состояния. Твёрдое состояние сменяется при t-ах плавления, жидкое состояние сменяется газообразным при t-ах кипения.

процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое, называется первичной кристаллизацией;

металлы кристаллизуются при постоянной t-ре, T_S – температура кристаллизации.

При достижении T_S на графике появляется горизонтальная площадка, отвод тепла на какое-то время компенсируется выделяющейся при кристаллизации теплотой. Эта теплота наз. скрытой теплотой.

По окончании кристаллизации, t металла снова начинает снижаться. T_n – температура переохлаждения.

ΔT = T_S – T_n – степень переохлаждения.

Процесс кристаллизации состоит из 2-х элементарных процессов: 1) зарождение мельчайших частиц – центров кристаллизации; 2) рост зёрен из этих центров.

При t-х близких к T_S в небольших V-ах жидкого металла могут возникать определённые группировки атомов, в кот. их расположение близко к расположению атомов в твёрдом металле, эти группировки и являются основой для образования центров кристаллизации, способных к дальнейшему росту. Во всём объёме металла при понижении t возникает множество центров кристаллизации, вокруг кот. свободно растут кристаллы. Форма кристалла в этот момент геометрически правильная, друг от друга отличаются размерами и различной ориентировкой в пространстве, но как только растущие кристаллы придут в соприкосновение друг с другом, правильная геометрич. Форма нарушается.

В точках соприкосновения рост границ кристалла прекращается, а продолжается лишь в свободном направлении. В результате получается множество кристаллов неправильной формы, различно ориентированных в пространстве.

Кристаллы неправильной формы, наз. кристаллитами или зёрнами. Чем меньше зерно, тем оно прочнее. Измельчение зерна можно обеспечить введением специальных веществ (модификаторов), кот. играют роль искусственных центров кристаллизации.

Величина зерна имеет важное значение для эксплуатационных и технологических свойств материала. Крупно зернистый материал имеет низкую сопротивляемость ударам. При обтачивании имеет большую шероховатость. Размеры зёрен зависят от природы самого металла и от условий кристаллизации.

 

Строение слитка

Строение слитка после процесса кристаллизации зависит от степени переохлаждения, направления отвода тепла, наличия готовых центров кристаллизации.

Небольшая степень переохлаждения (ΔТ) (нормальное охлаждение) 1 – зона мелких равноосных кристаллов (корковая зона); 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – зона равноосных кристаллов; 4 – усадочная раковина.

Сильный перегрев ибыстрое охлаждение(большая ΔТ) 2 – зона столбчатых кристаллов; 4 – усадочная ракови- на. Явление транскри- сталлизации.

Очень медленное охлаждение (малая ΔТ) 3 – зона равноосных кристаллов; 4 – усадочная ракови- на.

Жидкий металл имеет больший объем, чем твердый, поэтому в верхней части слитка, которая застывает последней, образуется пустота – усадочная раковина.