Головна

Анізотропія кристалів та изотропия кристалічних тіл

  1. Аналіз атомної структури кристалів
  2. Питання 2. атомно кристалічна будова металів. Види кристалічних решіток.
  3. Питання: Поляризація світла при відбиванні та заломленні. Закон Брюстера Двоцное лучепреломление. Анізотропія кристалів.
  4. Виділення кристалів (кристалізація)
  5. геометрична анізотропія
  6. Мати уявлення про властивості кристалів

Властивості матеріалів залежать від природи атомів, з яких вони складаються, і сили взаємодії між ними. Аморфні матеріали характеризуються хаотичним розташуванням атомів. Тому властивості їх в різних напрямках однакові, іншими словами, аморфні матеріали ізотропні.

У кристалічних матеріалах відстані між атомами в різних кристалографічних напрямах різні. Наприклад, в ОЦК решітці в кристаллографической площині, що проходить через грань куба, знаходиться всього один атом, так як чотири атома в вершинах одночасно належать чотирьом сусіднім елементарним осередкам: (1/4) - 4 = 1. У той же час в площині, що проходить через діагональ куба, будуть перебувати два атома: 1 + (1/4) -4 = 2. через неоднаковою щільності атомів в різних напрямках кристала спостерігаються різні властивості. Відмінність властивостей в кристалі в залежності від напрямку випробування називається анізотропією.

Різниця в фізико-хімічних і механічних властивостях в різних напрямках може бути дуже істотною. При вимірюванні в двох взаємно-перпендикулярних напрямках кристала цинку значення температурного коефіцієнта лінійного розширення (ТКЛР) розрізняються в 3 - 4 рази, а міцності кристала заліза - більше ніж в 2 рази.

Анізотропія властивостей характерна для одиночних кристалів, або так званих монокристалів. Більшість же технічних литих металів, затверділих в звичайних умовах, мають полікристалічне будова. Такі метали складаються з великого числа кристалів або зерен (рис. 2.3, а). При цьому кожне окреме зерно анізотропно. Різна орієнтація окремих зерен призводить до того, що в цілому властивості полікристалічного металу є усередненими.

Полікристалічне тіло характеризується квазіізотропностью - уявній незалежністю властивостей від напрямку випробування.

Квазіізотропность зберігається в литому стані. При обробці тиском (прокатка, кування), особливо якщо вона ведеться без нагріву, більшість зерен металу набуває приблизно однакову орієнтування - так звану текстуру (рис. 2.3, б), після чого метал стає анізотропним. Властивості деформованого металу вздовж і поперек напрямку головної деформації можуть суттєво відрізнятися. Анізотропія може призводити до дефектів металу (розшарування, хвилястість листа). Анізотропію необхідно враховувати при конструюванні і розробці технології отримання деталей.

Мал. 2.3. Орієнтація кристалічних решіток в зернах литого металу (а) і після обробки тиском (б)

1.5. Ідеальне і реальне будова металевих матеріалів

Загальні відомості. Ідеальна кристалічна решітка являє собою багаторазове повторення елементарних кристалічних осередків. Для реального металу характерна наявність великої кількості дефектів будови, що порушують періодичність розташування атомів в кристалічній решітці, що робить істотний вплив на властивості матеріалу.

Розрізняють три типи дефектів кристалічної будови: точкові, лінійні і поверхневі.

Точкові дефекти. Такі дефекти (рис 2.4) характеризуються малими розмірами у всіх трьох вимірах. Величина їх не перевищує декількох атомних діаметрів. До точкових дефектів відносяться вільні місця в вузлах кристалічної решітки - вакансії (рис. 2,4, а); атоми, що змістилися з вузлів кристалічної решітки в межузельние проміжки, - дислоковані атоми (рис. 2.4, б); атоми інших елементів, що знаходяться як в вузлах, так і в междоузлиях кристалічної решітки, - домішкові атоми (рис. 2.4, в). Точкові дефекти і дислокованих атомів можуть розташовуватися окремо або утворювати ланцюжки. Точкові дефекти утворюються в процесі кристалізації під впливом теплових, механічних, електричних впливів, а також при опроміненні нейтронами, електронами, рентгенівськими променями. Вакансії і дислоковані атоми можуть з'являтися внаслідок теплового руху атомів. У характерних для металів решітках енергія освіти дислокованих атомів значно більше енергії освіти теплових вакансій. Тому основними точковими дефектами в металах є теплові вакансії. | Точкові дефекти не закріплені в певних обсягах металу, вони безперервно переміщаються в кристалічній решітці в результаті дифузії.

 Мал. 2.4. Точкові дефекти в кристалічній решітці: а - вакансія; б - дислокований атом; в - домішковий атом впровадження.

а Б В

Непрямим доказом утворення вакансій в кристалічній решітці може служити простий експеримент з нагріванням двох однакових зразків алюмінію до температури, на кілька градусів меншою його температури плавлення. Якщо охолодження цих зразків провести з різною швидкістю, при кімнатній температурі обсяг швидко охолодженого (загартованого) зразка буде на 0,2% більше, ніж обсяг повільно охолодженого (відпаленого) зразка. Пояснюється це тим, що при температурі, близької до температури плавлення, завдяки дифузії частини атомів до поверхні в металі утворюється велика кількість вакансій. У разі повільного охолодження більшість атомів встигає повернутися в початкове положення. При швидкому охолодженні ці вакансії не встигають повернутися в початковий стан і залишаються в структурі загартованого зразка. Якщо ж загартований зразок знову нагріти і повільно охолодити, різниця між обсягами зразків зникне.

Присутність вакансій пояснює можливість дифузії - переміщення атомів на відстані, що перевищують середні міжатомні відстані для даного металу. Переміщення атомів здійснюється шляхом обміну місцями з вакансіями.

Лінійні дефекти. Такі дефекти характеризуються малими розмірами в двох вимірах, але мають значну протяжність в третьому вимірі. Найбільш важливий вид лінійних дефектів - дислокації.

Теорія дислокацій дозволила пояснити природу міцності та пластичності металів. Її використання дало можливість пояснити величезну різницю між теоретичної та практичної міцністю металів.

На рис. 2.5 приведена схема ділянки кристалічної решітки з однієї зайвої атомної напівплощиною, т. Е крайової дислокацією. Лінійна атомна напівплощина PQQ'P ' називається екстраплоскості, а нижній край екстраплоскості QQ '- лінією дислокації. Крім крайових дислокацій в кристалах можуть утворюватися гвинтові дислокації. Гвинтові дислокації можуть бути отримані частковим зсувом атомних шарів по площині, який порушує паралельність атомних шарів.

Поблизу лінії дислокації атоми зміщені зі своїх місць - кристалічна решітка спотворена, що викликає утворення поля напружень: вище лінії дислокації решітка стиснута, а нижче розтягнута. Дислокації утворюються вже при кристалізації металів, а також в ході пластичної деформації і фазових перетворень. Щільність дислокацій може досягати великої величини.

Мал. 2.5. крайова дислокація

 екстраплоскості

.

Використання теорії дислокацій дозволило пояснити велику розбіжність між теоретичною і фактичною міцністю металів. Теоретична міцність повинна бути пропорційна добутку сил міжатомних зв'язку на число атомів в перерізі кристала.

Розрахункове зусилля для усунення однієї частини кристала щодо іншої виявилося на 2 - 3 порядки вище фактично витрачається при пластичної деформації металу. Так, теоретична міцність заліза становить приблизно 13 ТОВ МПа, а фактична - 250 МПа. Така розбіжність теоретичної і фактичної міцності пояснюється тим, що деформація відбувається не внаслідок одночасного зсуву цілих атомних площин, а внаслідок поступового переміщення дислокацій.

Дислокації легко переміщуються в напрямку, перпендикулярному екстраплоскості. Чим легше переміщаються дислокації, тим нижче міцність металу, тим легше йде пластична деформація.

Таким чином, причиною низької міцності реальних металів є наявність у структурі матеріалу дислокацій та інших недосконалостей кристалічної будови. Отримання бездислокаційних кристалів призводить до різкого підвищення міцності матеріалів (рис.2.8.). Ліва гілка кривої (штрихова лінія) відповідає створенню скоєних бездислокаційних ниткоподібних кристалів (так званих вусів), міцність яких близька до теоретичної. З підвищенням щільності дислокацій їх рух стає все більш утрудненим, потрібне збільшення додається навантаження для продовження деформації. В результаті метал зміцнюється, що відповідає правій гілці кривої (суцільна лінія) на рис.2.8.

На практиці перешкоду руху дислокацій, т. Е зміцнення створюється введенням інших елементів (легированием), наклепом, термічної або термомеханічної обробкою. Зниження температури також перешкоджає вільному переміщенню дислокацій. При низьких температурах міцність зростає. А пластичність падає. Метал стає більш міцним, але крихким.

Таким чином, підвищення міцності металів і сплавів може бути досягнуто двома шляхами: отримання металів з більш близьким до ідеального будовою кристалічної решітки, т. Е металів, в яких відсутні дефекти кристалічної будови або ж їх число вкрай мало, або навпаки збільшенням числа структурних недосконалостей , що перешкоджають руху дислокацій.

Поверхневі дефекти. Такі дефекти мають малу товщину і значні розміри в двох інших вимірах. Зазвичай це місця стику двох орієнтованих ділянок кристалічної решітки. Ними можуть бути межі зерен, межі фрагментів всередині зерна, межі блоків всередині фрагментів. Сусідні зерна за своїм кристалічному будовою мають неоднакову просторову орієнтацію решіток. Блоки повернені відносно один одного на кут від декількох секунд до декількох хвилин, їх розмір 10-5 см. Фрагменти мають кут разоріентіровкі ? не більше 5 °. Якщо кутова разоріентіровка решіток сусідніх зерен менше 5 °, такі межі називають малокутових межами (рис. 2.9). Все субзеренние кордону (межі фрагментів і блоків) - малокутових. Будова кордонів зерен впливає на властивості металу.

Кордон між зернами являє собою вузьку перехідну зону шириною 5-10 атомних відстаней із зовнішнім порядком розташування атомів. У граничному діапазоні кристалічна решітка одного зерна переходить в решітку іншого (рис. 2.10). Невпорядковане будову перехідного шару посилюється скупченням в цій зоні дислокацій і підвищеною концентрацією домішок.

Внаслідок того що кордони зерен перешкоджають переміщенню дислокацій і є місцем підвищеної концентрації домішок, вони істотно впливають на механічні властивості металу.

Під розміром зерна прийнято розуміти величину його середнього діаметра, що виявляється в поперечному перерізі.

Чим дрібніше зерно, тим вище межа плинності і міцність металу. Одночасно при подрібненні зерна збільшуються пластичність і в'язкість металу. Останнє особливо важливо для металевих виробів, що працюють при низьких температурах. Підвищена пластичність і в'язкість обумовлені більш однорідним складом і будовою дрібнозернистого металу, відсутністю в ньому великих скупчень, структурних недосконалостей, що сприяють утворенню тріщин.

Крім перерахованих дефектів в металі є макродефектів об'ємного характеру: пори, газові бульбашки, неметалеві включення, мікротріщини і т. Д .., які знижують міцність металу.

1.6. кристалізація металів

Загальна характеристика процесу. Ще Д. К. Черновим було встановлено, що процес кристалізації складається з двох елементарних процесів: зародження центрів кристалізації і росту кристалів з цих центрів.

При температурах, близьких до температури затвердіння, в рідкому металі утворюються невеликі угруповання атомів, так звані флуктуації, в яких атоми упаковані так само, як в твердих кристалах. З частини цих флуктуації утворюються зародки, або центри кристалізації. Зі збільшенням ступеня переохолодження зростає число центрів кристалізації, що утворюються в одиницю часу. Навколо утворилися центрів кристалізації починають рости кристали. Одночасно в рідкій фазі утворюються нові центри кристалізації. Збільшення загальної маси затверділого металу відбувається як за рахунок виникнення нових центрів кристалізації, так і за рахунок зростання існуючих. Схема послідовних етапів процесу затвердіння приведена на рис .2.12

Взаємним зростанням кристалів пояснюється неправильна форма зерен. Реальні тверді кристали. Неправильної форми називаються кристаллитами.

Сумарна швидкість кристалізації залежить від ходу обох елементарних процесів і визначається швидкістю зародження (СЗ) центрів кристалізації і швидкістю зростання (CP) кристалів з цих центрів (рис. 2.13). Величини СЗ і CP залежать від ступеня переохолодження ?T. При рівноважної температурі Т = 0; СЗ = 0; CP = 0. Зі збільшенням ?T зростає різниця вільних енергій ?F = Тж - FTB, Де FM, FTB - Вільна енергія рідкого і твердого металу відповідно, і при хорошій рухливості атомів СЗ і CP збільшуються і досягають максимуму. Подальше зменшення СЗ і CP пояснюється зниженням рухливості атомів при зниженні температури. При малих значеннях коефіцієнта дифузії утруднена перебудова атомів рідини в кристалічну решітку твердого тіла. При дуже сильному переохолодженні СЗ
 

 і CP дорівнюють нулю, рідина не кристалізується, а перетворюється в аморфне тіло.

Для реальних металів, як правило, реалізуються лише висхідні гілки кривих СЗ і CP, і з ростом ступеня переохолодження збільшуються швидкості обох процесів.

Від співвідношення СЗ і CP залежить розмір зерен. При малому переохолодженні, наприклад при заливці металу в земляну форму з малою теплопровідністю або підігріту металеву форму, CP велика, СЗ мала. У цьому випадку в обсязі утворюється невелика кількість великих кристалів. При збільшенні Т в разі заливки рідкого металу в холодні металеві форми СЗ зростає, що призводить до утворення великої кількості дрібних кристалів.

 СЗ; CP
 ТоСтепень переохолодження -> Температура
 Мал. 2.13. Вплив ступеня переохолодження А Г на швидкість зародження (СЗ) і швидкість росту (CP) кристалів: Г0 - Рівноважна температура

Розмір зерна визначається не тільки ступенем переохолодження. Важливу роль відіграють температура нагріву і розливання металу, його хімічний склад і особливо присутність сторонніх домішок. В реальних умовах мимовільне зародження кристалів в рідкому металі утруднено. Джерелом утворення зародків служать різні тверді частинки: неметалеві включення, оксиди, продукти розкислення. Чим більше домішок, тим більше центрів кристалізації, тим дрібніше зерна. Іноді в метал спеціально вводять речовини, які при кристалізації сприяють подрібненню зерна. Цю операцію називають модифицированием. При введенні в магнієві сплави магнезиту зерно зменшується більш ніж в 10 разів: від 0,2 ... 0,3 мм до 0,01 ... 0,02 мм. Для стали модифікаторами є: алюміній, ванадій, титан, для чавуну - магній.

1.7. дендритна кристалізація

При кристалізації реальних злитків і виливків важливу роль відіграє напрямок відводу теплоти. Кристалізація починається від стінок форми або виливниці. У напрямку відводу теплоти, т. Е перпендикулярно стінці форми, кристал росте швидше, ніж в інших напрямках. При цьому утворюються осі першого порядку. Одночасно на їх ребрах відбувається зародження і зростання перпендикулярних їм осей другого порядку, потім третього порядку і т. Д В результаті утворюється розгалужений деревовидний кристал, званий дендритом (рис .2.14).

Так як при затвердінні має місце так звана виборча кристалізація, т. Е. В першу чергу твердне чистіший метал, межі зерен більш збагачені домішками. Неоднорідність хімічного складу в межах дендрита називається дендритних ліквацією. Більшою мірою, ніж інші елементи, ликвации схильні вуглець, сірка, фосфор.

Будова і властивості металевих матеріалів | Будова злитка спокійної сталі

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати