Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

Вектор

Экстраплоскойть

\ci)Bu?.n

а)

•1

^н

ч у —<

. . . •

Рис. 9.

Краевые

дислокации:

а — сдвиг, создавший краевую дислокацию; б — про-,

странственная

схема краевой дислокации; в, г — схемы

расположения атомов у дислокации

Кроме краевых различают еще винтовые дислокации. Винтовые дисло-

кации

в отличие от краевых располагаются параллельно направлению

сдвига (линия AD на рис. 10). При наличии винтовой дислокации кристалл

можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закру-

ченной

в виде винтовой поверхности. На рис. 10,6 показано расположе-

ние

атомов на винтовой поверхности вдоль винтовой дислокации:

Дислокации окружены полями

упругих

напряжений, вызывающих иска-

жение кристаллической решетки. В краевой дислокации выше края экстра-

плоскости межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края—

больше.

Энергия искажения кристаллической решетки является одной из важ-

нейших характеристик дислокации любого типа. Чтобы оценить степень

искажения

решетки, вызванной линейной дислокацией,

следует

сравнить

совершенный кристалл с кристаллом, содержащим дислокацию. Крите-

рием этого искажения

служит

вектор Бюргерса.

Для определения вектора Бюргерса краевой дислокации (рис. 11) прове-

дем вокруг дислокации контур

ABCDE.

Контур проводят так, чтобы от

точки А против часовой стрелки равномерно отложить, например, по

°£

г—Н

•0 0 1

—1 (—\ '

1' /

)

„V

иг

Рис.

10. Винтовая дислокация:

а — сдвиг, создавший винтовую дислокацию; б - расположение

атомов

•

••/•••\«*«

••••••••

./.ч.'.

i > . i i

/ • t •

V. . {. . i |

Рис.

11. Схема опрелелепия вектора Бюргерса для линейной дислокации:

а —

схема

плоскости реального кристалла; 6 — решетка совершенного

кристалла

шесть межатомных расстояний снизу

вверх:

'АВ, ВС, CD и DE.

Контур

замкнется

на

участке

DA,

который

будет

состоять только

из

пяти отрез-

ков.

кристалле,

котором отсутствовали дислокации, этот участок

так

же,

как и

предыдущие, состоял

из

шести отрезков. Разность протяженно-

сти контуров

АЕ

называют вектором Бюргерса

обозначают

Ь.

Разность

контуров имеет величину порядка межатомных расстояний

(10"

см).

Определение вектора Бюргерса

для

кристалла, содержащего винтовую

дислокацию, производят аналогично.

краевой дислокации вектор

Бюр-

герса перпендикулярен

к ее

линии,

а у

винтовой

—

параллелен

ей.

Если

век-

тор Бюргерса

охватывает

несколько дислокаций,

то

величина

его

соответ-

ствует

геометрической

сумме

векторов отдельных дислокаций. Вектор

Бюргерса позволяет найти силы,

требуемые

для

продвижения дислокации,

силы взаимодействия

энергию дислокаций

и т. д.

Дислокации образуются

процессе кристаллизации металлов

(при сра-

стании зерен

блоков)

из

группы вакансий,

также

процессе пластиче-

ской

деформации

фазовых превращений.

Силовые

(упругие)

поля дислокаций взаимодействуют

между

собой.

Ес-

ли дислокации, расположенные

одной плоскости скольжения,

обладают

одинаковым знаком,

то они

отталкиваются одна

от

другой

(рис.

12, а);

ес-

ли дислокации разного знака,

то они

взаимно притягиваются

(рис.

12,6).

ill

Ряс.

12. Схема взаимодействия дислокации, лежащих в одной плоскости

скольжения

Сближение дислокаций разного

знака

приводят к их взаимному

уничтожению (аннигиляции).

Дислокации не

могут

обры-

ваться внутри кристаллита. Они

могут

прерываться на

других

дис-

локациях или на границах раздела

(границы зерен, поверхность кри-

сталла и т. д.). В связи с этим

внутри кристалла дислокации об-

разуют замкнутые петли или взаи-

мосвязанные сетки.

Важной характеристикой дисло-

каций

является плотность. Под

плотностью дислокаций понимают

суммарную длину дислокации

/ (см), приходящуюся на единицу

объема V кристалла

(см

Таким образом, размерность плотности дисло-

каций

(см~

Рис.

13. Дислокационная структура корро-

зионно-стойкой

стали (х 33 000)

P--F-

Плотность дислокации экспериментально определяют путем подсчета

числа выходов дислокаций, пересекающих единицу площади металлогра-

фического шлифа. При травлении металлографического шлифа на его по-

верхности можно выявить ямки или точки, соответствующие

выходу

дислокаций.

Плотность дислокаций определяют также непосредственно изучая

структуру

тонких пленок металла «на просвет» в электронном микроскопе.

На

рис. 13 показаны следы травления дислокаций, расположенных по гра-

ницам

блоков железа. Подсчитывая число таких точек, определяют плот-

ность дислокаций.

Поверхностные дефекты. Эти дефекты малы только в одном измерении.

Они

представляют собой поверхности раздела

между

отдельными зернами

или

их блоками (субзернами) поликристаллического металла.

Каждое зерно металла состоит из отдельных блоков, или субзерен,

образующих так называемую мозаичную

структуру,

или

субструктуру

(рис.

14, а). Зерна металла обычно разорнентированы относительно

друг

друга

на

величину, достигающую от нескольких долей

градуса

(малоугловые гра-

ницы)

до нескольких градусов или нескольких их десятков (высокоугловые

границы).

Блоки,

или субзерна, повернуты по отношению

друг

другу

на

угол

от

нескольких секунд до нескольких минут (малоугловые границы), имеют

размеры на три-четыре порядка величины меньше размеров кристаллитов

(10 ~

— 10"

см). В пределах каждого блока, или субзерна, решетка почти

идеальная, если не учитывать точечных несовершенств. Размеры блоков,

или

субзерен, оказывают большое влияние на свойства металла.

Границы

между

отдельными кристаллитами (зернами) представляют

собой переходную область шириной в 5—10 межаюмных расстоянии,

Рис.

1.4.

Блочная (мозаичная) структура металла:

схема

зерна

блочной

структуры;

б -

реальная блочная

структура

металла (х

20000);

'#•—

дислокационная

структура

границ блоков ниобия

(х

44000)

которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристалло-

графическую ориентацию, переходит

решетку

другого

кристалла, имею-

щего иную кристаллографическую ориентацию.

связи

этим

на

границе

зерна атомы расположены менее правильно,

чем в

объеме зерна (рис.

15).

Кроме

того,

по

границам зерен

технических

металлах

концентрируются

примеси,

что еще

больше нарушает правильный порядок расположения

атомов. Несколько меньшие нарушения наблюдаются

на

границах блоков

или

субзерен.

Границы блоков,

также малоугловые границы зерен образованы

дис-

локациями

(см. рис. 14,

а).

увеличением

угла

разориентировки блоков

или

субзерен

уменьшения

их

величины плотность дислокаций

металле

уве-

личивается. Вследствие того,

что в

реальном поликристаллическом метал-

ле протяженность границ блоков

зерен очень велика, количество дисло-

каций

таком металле огромно (10* —

см~

Атомы

на

границах

зерен

(или

субзерен) имеют повышенную потенциальную энергию.

Такую повышенную энергию имеют

атомы, расположенные

на по-

верхности кристалла, вследствие нескомпенсированности

сил

межатомного

взаимодействия.

4. ДИФФУЗИЯ

Многие процессы, протекающие

металлах

сплавах (процесс кристалли-

зации,

фазовые превращения, рекристаллизация, процессы насыщения

по-

верхности другими компонентами), носят диффузионный характер.

Зерно I

Пограничный слой

ЗерноП

•"••--

Рис.

15.

Модель

размещения атомов

облает

границы

зерна мсга.чла

ОООООООООО 0^0 О О О О О О ОС

~ ~ - О Of, О 0 Q О О ОООО

о о

оУо о

GTO

оооо

о*ю о о

оот>0

27»ооо

о очо о

О О О О О О OV О О О О О О О О

_ _ _

оооо оооо оооо

оооооооооооооооооооо

а)

5) В) г)

Рис.

16.

Мехаяизмы перемещения атомов

кристаллической решетке металла

Под

диффузией понимают перемещение атомов в кристаллическом те-

ле на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния данного

вещества. Если перемещения атомов не связаны с изменением концентра-

ции

в отдельных объемах, то такой процесс называется

самодиффузией.

Перемещение

атомов, сопровождающееся изменением концентрации,

происходит в сплавах или в металлах с повышенным содержанием приме-

сей

и называется

диффузией

или

гетеродиффузией.

В основе процесса диффузии в кристаллах лежит атомный механизм,

при

котором каждый атом совершает более или менее случайные

блужда-

ния,

т. е. ряд скачков

между

различными равновесными положениями в ре-

шетке.

Любая атомная теория диффузии должна начинаться с рассмотре-

ния

механизма диффузии. Прежде всего

следует

ответить на вопрос: каким

образом данный атом перемещается из одной позиции в

другую.

Для описания процесса диффузии в твердом кристаллическом теле (ме-

талле) предложено несколько возможных механизмов диффузии: цикличе-

ский,

обменный,

вакансионный

межузелъный

(рис. 16).

По

циклическому механизму диффузионный перескок представляет со-

бой

совместное перемещение (циклическое вращение) группы атомов (на-

пример,

четырех, рис. 16, а). Такое вращение не

требует

большой энергии,

йо

маловероятно. Обменный механизм (рис. 16,6) является частным слу-

чаем циклического (группа из

двух

атомов) и заключается в обмене сосед-

них

атомов. При вакансионном механизме атом обменивается с вакансией

(рис.

16, в), а при межузельном он переходит в состояние равновесия в бли-

жайшее междоузлие (рис. 16, г). В металлах диффузия преимущественно

осуществляется по вакансионному механизму. В этом случае, как видно из

рис.

16, в, на место вакансии 1 может переместиться атом 2, обладающий

повышенной

энергией. Вакансия окажется на бывшем месте этого атома^

ее может занять атом 3, и т. д.

При

диффузии в металле элементов с малым атомным радиусом (С, N,

Я) происходит диффузия по межузельному механизму (рис. 16, г).

Скорость

диффузии определяется количеством вещества т, диффунди-

рующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени.

Количество диффундирующего (в единицу времени) вещества т зависит от

градиента концентрации

dC/dx

элемента в направлении, нормальном к по-

верхности раздела и пропорционально

коэффициенту,

диффузии

Их' ^

где dC- концентрация; dx - расстояние в выбранном направлении.

Эта зависимость получила название первого закона Фика.

Знак

минус

указывает, что диффузия протекает в направлении от объемов с большей

концентрацией

к объемам с меньшей концентрацией. Если градиент кон-

центрации изменяется во времени т, то процесс диффузии описывается

вторым законом Фика:

(2)

При

выводе этого закона принимали, что коэффициент диффузии не за-

висит от концентрации, что справедливо только для самоднффузии, поэто-

му уравнение должно решаться (и решено) для определенных граничных

условий диффузии.

Коэффициент

диффузии D (см

/с), т. е. количество вещества, диффунди-

рующего

через единицу площади (1 см

), в единицу времени (1 с) при пере-

паде концентрации, равном единице, зависит от природы сплава, размеров

зерна и особенно сильно от температуры. Температурная зависимость

коэффициента

диффузии подчиняется экспоненциальному закону:

~^ (3)

где D

— предэкспонснциальный множитель, величина которого опреде-

ляется типом кристаллической решетки; Q — энергия активации, ккал/(г-

атом); R — газовая постоянная, 1,987 кал/(моль°С); Т

—

температура, К.

Энергия активации диффузии Q характеризует энергию связи атомов

кристаллической решетке. Чем выше значение Q, тем больше величина

энергии,

необходимой для перехода атома из одного равновесного поло-

жения

в решетке в

другое,

также равновесное. Требуемый для такого пере-

хода

избыток энергии приобретается атомом от его соседей благодаря то-

му, что атомы непрерывно обмениваются кинетической энергией \ Так как

энергия

активации

входит

в показатель степени, она очень сильно влияет

на

коэффициент диффузии. Наиболее легко диффузия протекает по поверх-

ности и границам зерен, где сосредоточены дефекты кристаллического

строения (вакансии, дислокации и т. д.). В связи с этим энергия активации

по

границам зерен (блоков) примерно вдвое меньше, чем в объеме, т. е.

при

объемной диффузии.

Для теплового движений характерна неравномерность в распределении энергии

между

атомами.

ФОРМИРОВАНИЕ

СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА

ЛЗВа

ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

1. ПЕРВИЧНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Переход металла из жидкого состояния в

твердое

(кристаллическое) назы-

вается кристаллизацией. Кристаллизация протекает в условиях, когда си-

стема переходит к термодинамически более устойчивому состоянию

с меньшей свободной энергией или термодинамическим потенциалам F*,

т. е. когда свободная энергия кристалла меньше жидкой фазы. Если пре-

вращение происходит с небольшим изменением объема, то F = Я — TS, где

Я—полная

энергия системы: Т—абсолютная температура; S—энтропия.

Изменение

свободной энергии жидкого и

твердого

состояний в зависи-

мости от температуры показано на рис. 17. Выше температуры t

более

устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии,

а ниже этой температуры устойчив твердый металл. При температуре f

величины свободных энергий жидкого и

твердого

состояний равны. Темпе-

ратура

соответствует

равновесной температуре кристаллизации (или

плавления) данного вещества, при которой обе фазы (жидкая и твердая)

могут

сосуществовать одновременно и при том бесконечно долго. Процесс

кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Процесс кри-

сталлизации развивается, если созданы условия, когда возникает разность

свободных энергий Д/, образующаяся вследствие меньшей свободной энер-

гии

твердого

металла по сравнению с жидким.

Следовательно, процесс кристаллизации может протекать только при

переохлаждении металла ниже равновесной температуры г

. Разность ме-

жду температурами t

и t

, при которых может протекать процесс кристал-

лизации,

носит название степени переохлаждения: At — t

— t

Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых

металлов при охлаждении с разной скоростью (v), даны на рис. 18. При

очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс

кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной (рис.

18, кривая i/'i). На термической кривой при температуре кристаллизации

отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры),

образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристал-

лизации,

несмотря на отвод теплоты при охлаждении.

увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возра-

стает

(кривые v

, г

), и процесс кристаллизации протекает при температу-

* Свободной энергией (термодинамическим потенциалом) называют ту составляющую по-

лной

энергии вещества, которая обратимо изменяет свою величину при изменении темпера-

туры. С повышением температуры величина свободной энергии уменьшается, так как энтропия

lieewui

положи ic.li, на и возрастет с повышением темпера ij-ры. Кривая i'=/(7) всегда обра-

щена

выпуклое!ыо вверх.

27.

Кристаллиза-

Плавление

ция

«r

Температура

Время

Рнс.

17.

Изменение свободной энергии металла

жидком (Т

твердом

)

состоянии

в зависимости

от

температуры

Рис.

18.

Кривые охлаждения

при

Кристаллизации металла

рах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.

Степень

переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем

чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При за-

твердевании очень чистых металлов степень переохлаждения At может

быть очень велика. Однако чаще степень переохлаждения не превышает

10—30°С.

Процесс

кристаллизации, как впервые установил Д. К. Чернов, на-

чинается

с образования кристаллических зародышей (центров кристаллиза-

ции)

и продолжается в процессе роста их числа и размеров.

При

переохлаждении сплава ниже температуры t

во многих участках

жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту кристалличе-

ские

зародыши, называемые критическими (рис. 19).

Пока

образовавшиеся кристаллы

растут

свободно, они имеют более

или

менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении

Па

—

'о

Рис.

19. Схема кристалли-

зации металла

растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих

участках

рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех на-

правлениях, где есть свободный

доступ

«питающей»

жидкости. В

результа-

те растущие кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную фор-

му, после затвердевания

получают

неправильную внешнюю форму

поэтому называются кристаллитами, или зернами.

2. САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ЗАРОДЫШЕВЫХ ЦЕНТРОВ

Явления,

протекающие в процессе кристаллизации, сложны и много-

образны. Особенно

трудно

представить начальные стадии процесса, когда

жидкости образуется первый кристаллик, или центр кристаллизации.

Очевидно, что для выяснения условий появления этих центров надо яс-

но

представить строение исходного жидкого металла. Схематические мо-

дели кристаллической и жидкой фаз представлены на рис. 20. В жидком

металле атомы не расположены хаотично, как в газообразном состоянии,

в то же время в их расположении нет той правильности, которая харак-

терна для твердого кристаллического

тела

(рис. 20, а), где атомы

сохра-

няют постоянство межатомных расстояний и

угловых

соотношений на

больших расстояниях (дальний порядок).

Рис.

20. Модели кристаллической («) и жидкой (п ц в) фаз

металла

Рис.

21. Изменение свободной энергии металла при образовании зародышей кристалла в зави-

симости

от их размера (а) и степени переохлаждения (б)

В жидком металле (рис.

20,

б) сохраняется лишь

так

называемый ближ-

ний

порядок, когда упорядоченное расположение атомов распространяется

на

очень небольшое расстояние. Вследствие интенсивного теплового

дви-

жения

атомов ближний порядок динамически неустойчив. Микрообъемы

с правильным расположением атомов, возникнув,

могут

существовать

не-

которое время, затем рассасываться

возникать вновь

другом

элемен-

тарном объеме жидкости

и т. д. С

понижением температуры степень ближ-

него порядка

размер таких микрообъемов возрастают.

При

температурах, близких

температуре плавления,

жидком метал-

ле возможно образование небольших группировок,

которых атомы

упа-

кованы

так же, как в

кристаллах. Такие группировки называются фазовы-

ми

(или

гетерофазными) флуктуациями

(рис.

20,

в).

чистом

от

примесей

жидком металле наиболее крупные гетерофазные флуктуации превращают-

ся

зародыши (центры кристаллизации).

Зародыши, возникающие

процессе кристаллизации,

могут

быть

раз-

личной величины. Рост зародышей возможен только

при

условии, если

они

достигли определенной величины, начиная

которой

их

рост

ведет

уменьшению свободной энергии.

процессе кристаллизации свободная

энергия

системы (рис. 21,

а),

одной стороны, уменьшается

на VAf

вслед-

ствие перехода некоторого объема жидкого металла

твердый,

а с

другой

стороны, возрастает

результате образования поверхности раздела

с из-

быточной поверхностной энергией, равной

So.

Общее изменение свобод-

ной

энергии можно определить

из

следующего выражения:

= -

КД/+

So\

где

V—объем

зародыша; А/—разность свободных энергий жидкого

твердого металла

-F

(см. рис. 17);

S—суммарная величина поверх-

ности кристаллов;

а —

поверхностное натяжение.

Чем меньше величина зародыша,

тем

выше отношение

его

поверхности

объему,

следовательно,

тем

большая часть

от

общей энергии приходит-

ся

на

поверхностную энергию. Изменение свободной энергии металла

при

образовании кристаллических зародышей

зависимости

от их

вели-

чины

R и

степени переохлаждения показано

на рис. 21,б.

Изменение — ГЛ/иропорционп.чмю

объему

V ~ г

; приращение So пропорционально по-

верхыосш

S~r

, где

г—размер

шарообразного зародыша.