Тема: Идеальное и реальное строение материалов.

Строение металлов и их сплавов характеризуется закономерным геометрически правильным расположением атомов в пространстве, называемом кристаллической решеткой. Энергия взаимодействия атомов в такой решетке является минимальной.

Большинство металлов имеют кристаллические решетки: объемно центрированная кубическая, гранецентрированная кубическая и гексагональная плотно упакованная.

Дефекты кристаллического строения подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Точечные (нульмерные) дефекты представляют собой вакансии межузловые атомы, атомы примесей.

Каждой температуре соответствует своя равновесная концентрация вакансий. Чем выше температура кристалла, тем больше в нем вакансий и чаще они переходят от узла к узлу. При температуре близкой к температуре плавления металла количество вакансий составляет около 1% от числа атомов в кристалле. Пресыщение вакансиями может наступить вследствие внезапного охлаждения во время закалки, пластической деформации или облучения металла нейтронами.

К линейным дефектам относятся и винтовые дислокации.

Краевая дислокация в сечении представляет собой край лишней полуплоскости в решетке. Вокруг дислокаций решетка упруго искажена.

Винтовая дислокация – сдвиг соседних частей кристалла на одно межатомное расстояние. Наличие дислокаций приводит к упругому искажению кристаллической решетки. Плотность дислокаций заметно влияет на механические свойства: с ее увеличением возрастает прочность и снижается пластичность металлов.

Дислокации возникают во время кристаллизации, пластической деформации, фазовых превращений. Скорость диффузии вдоль дислокаций значительно выше, чем в кристаллах без дислокаций.

Конструкционные металлы и их сплавы имеют поликристаллическое строение: они состоят из множества мелких кристаллов – зерен. Соседние зерна имеют неодинаковую ориентацию кристаллических решеток. Между зернами существуют узкие переходные зоны шириной до нескольких атомных диаметров, это границы зерен с нерегулярным расположением атомов. На границах концентрируются дислокации и примеси.

Зерно не является кристаллом идеального строения, оно состоит из фрагментов, а фрагменты из блоков. Зерна металла обычно разориентированы на угол до нескольких градусов, (высокоугловые) или долей (малоугловые). Границы блоков и малоугловые границы образованы дислокациями. С увеличением угла разориентировки плотность дислокаций увеличивается.

Границы зерен имеют заметное влияние на механические свойства металлов, по ним сравнительно легко осуществляется диффузия. Чем мельче зерна, тем выше пластичность и прочность металла.

Объемные дефекты – локальные нагромождения точечных дефектов – вакансий, а также газовые пустоты, микротрещины и неметаллические включения.

Кристаллизацией называется переход металла из жидкого к твердому состоянию с образованием кристаллической структуры. В чистых металлах (при постоянном давлении) происходит при определенной температуре. Величина, форма и направление ориентации кристаллов в металлическом изделии заметно влияют на эксплуатационные характеристики. Изучение закономерностей процесса кристаллизации позволяет приобрести знания и опыт, необходимые для оптимизации структуры и свойств и их сплавов.

Процесс кристаллизации будет происходить, лишь тогда, когда жидкий металл будет охлажден до температуры кристаллизации tk. В этом случае существует разность свободной энергии жидкого Gp и твердого Gt состояний

GGp- Gt

Кристаллизация проходит в две стадии: зарождение мельчайших кристаллов-центров кристаллизации (первая стадия) и их рост (вторая стадия).

Различают два механизма зарождения кристаллов: гомогенный, когда центрами кристаллизации однородной жидкости и гетерогенный, когда центрами кристаллизации становятся твердые инородные кристаллы, например оксиды или нитриды, растворенные в жидком металле.

В прохлажденном металле зарождаются центры кристаллизации в тех микрообъемах, где наиболее упорядоченное расположение атомов. Размеры таких центров очень малы, они беспрерывно распадаются и снова зарождаются. Переохлаждение создает условия, при которых повышается стойкость центров кристаллизации и уменьшается их минимальный или критический размер. Критический размер – минимальный размер зародыша R, который способен увеличиваться при данной температуре. Если размер зародыша меньше Rк, то он не растет, такой зародыш растворяется в жидком металле. Если получается зародыш больше Rк, то он стойкий и способен расти. С увеличением его размеров свободная энергия системы уменьшается.

Иногда для получения мелкозернистой структуры в расплавленный металл вводят незначительное количество инородного вещества – модификатора. Тугоплавкие модификаторы становятся центрами кристаллизации.

Процесс кристаллизации металла начинается с образования центров (зародышей) кристаллизации. От них растут первичные (главные) оси будущих кристаллов, затем перпендикулярно к ним – оси высших порядков.

Такие первичные кристаллы, напоминающие внешним видом дерево, получили название дендритов. Дальнейший их рост и формирование кристаллов происходит за счет жидкого металла, заполняющего межосевое пространство. В конечном итоге кристаллы, соприкасаясь друг с другом, приобретают случайную внешнюю форму. Такие кристаллы назвали зернами. Величина и количество зерен характеризуется двумя факторами: числом центров кристаллизации и скоростью их роста, т.е. скоростью кристаллизации. От этих факторов зависит в основном размер зерен, а следовательно и свойства металла.

Около 30 металлов имеют два, а иногда и при разных типах элементарных кристаллических решеток. Кристаллическое строение, стойкое при низких температурах, обозначают греческой буквой, а при высоких температурах – , а при еще более высоких буквой и тд. Названные греческие буквы в виде индексов приобщают к символу химического элемента ().

При равновесном состоянии железо имеет две температуры полиморфного превращения 910 и 1401⁰С. Оно кристаллизуется при температуре 1539⁰С с образованием кристаллической решетки ОЦК (). При температуре 1401⁰С вследствие вторичной кристаллизации переходит в ГЦК решетку , а при 910⁰С снова в . Критическая температура 768⁰С не связана с вторичной кристаллизацией, а лишь с изменением в межэлектронном взаимодействии, вследствие чего железо во время охлаждения приобретает магнитные свойства.

Изменение типа кристаллического строения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация) происходит путем зарождения центров новых кристаллов на протяжении определенного времени сохраняется связь между новой и старой решеткой в плоскости, где атомы обоих решеток являются общими.

В аморфных веществах, атомы расположены хаотично, без определенной системы. К аморфным соединениям относятся стекло, канифоли и др. соединения.

Жидкие кристаллы – это жидкости с упорядоченной структурой. Они занимают промежуточное положение между кристаллами и обычными жидкостями с хаотичным расположением молекул.

По структуре жидкие кристаллы разделяют на три класса: нематические, смектические и холестерические.

В нематических кристаллах молекулы выстроены в цепочку.

В смектических кристаллах молекулы образуют параллельные слои, которые легко смещаются относительно друг друга.

В холестерических кристаллах молекулы размещаются по спирали.

Структура жидких кристаллов легко изменяется под воздействием давления, электрического поля, нагрева. Эта особенности жидких кристаллов дает возможность управлять их свойствами путем слабых воздействий. Жидкие кристаллы широко используются для изготовления особо чувствительных индикаторов.