Поліморфні перетворення в металах
1. Матеріалознавство - наукова дисципліна, що вивчає зв'язок між хімічним складом, структурою, властивостями матеріалів, а також зміна цих властивостей при різних зовнішніх впливах.
Всі метали, затвердевающие в нормальних умовах, являють собою кристалічні речовини, тобто укладання атомів в них характеризується певним порядком - періодичністю, як за різними напрямками, так і з різних площинах. Цей порядок визначається поняттям кристалічна решітка. Іншими словами, кристалічна решітка це уявна просторова решітка, у вузлах якої розташовуються частинки, що утворюють тверде тіло.
Елементарна комірка - елемент обсягу з мінімального числа атомів, багаторазовим перенесенням якого в просторі можна побудувати весь кристал. Елементарна комірка характеризує особливості будови кристала. Основними параметрами кристала є:
розміри ребер елементарного осередку. a, b, c - періоди решітки - відстані між центрами найближчих атомів. В одному напрямку витримуються строго визначеними.
) ., , кути між осями (
координаційне число (К) вказує на число атомів, розташованих на найближчому однаковій відстані від будь-якого атома в решітці.
базис решітки - кількість атомів, що припадають на одну елементарну комірку решітки.
щільність упаковки атомів в кристалічній решітці - обсяг, зайнятий атомами, які умовно розглядаються як жорсткі кулі. Її визначають як відношення обсягу, зайнятого атомами до обсягу осередку (для об'ємно-центрованої кубічної решітки - 0,68, для гранецентрированной кубічної решітки - 0,74)
Розрізняють 7 форм кристалічних решіток. За типом розташування частинок - 14 типів (решітки Браве).
Три типу найбільш поширених кристалічних решіток.
Об'ємно-центрована кубічна (ОЦК) атоми розташовуються у вершинах куба і в його центрі (V, W, Ti, Fe. Лужні, лужноземельні метали)
Гранецентрована кубічна (ГЦК) атоми рассполагаются в вершинах куба і по центру кожної з 6 граней (Ag, Au, Fe)
Гексагональна. в основі якої лежить шестикутник. (Ti, Zn, Be, Mn)
проста - атоми розташовуються в вершинах осередку і по центру 2 підстав (вуглець у вигляді графіту);
щільноупакована (ГПУ) (якщо з / а = 1,633) - є 3 додаткових атома в середній площині (цинк).
З рідкого розплаву можна виростити монокристал. Їх зазвичай використовують в лабораторіях для вивчення властивостей того чи іншого речовини.
Метали і сплави, отримані в звичайних умовах, складаються з великої кількості кристалів, тобто, мають полікристалічне будова. Ці кристали називаються зернами. Вони мають неправильну форму і по-різному орієнтовані в просторі. Кожне зерно має свою орієнтування кристалічної решітки, відмінну від орієнтування сусідніх зерен, внаслідок чого властивості реальних металів усереднюються, і явища анізотропії не спостерігається
У кристалічній решітці реальних металів є різні дефекти (недосконалості), які порушують зв'язку між атомами і впливають на властивості металів. Розрізняють такі структурні недосконалості:
точкові - малі у всіх трьох вимірах;
лінійні - малі в двох вимірах і як завгодно протяжні в третьому;
поверхневі - малі в одному вимірі.
Вакансія - відсутність атомів у вузлах кристалічної решітки, «дірки», які утворилися в результаті різних причин. Концентрація вакансій в значній мірі визначається температурою тіла. Переміщаючись по кристалу, поодинокі вакансії можуть зустрічатися. І об'єднуватися в дивакансії. Скупчення багатьох вакансій може призвести до утворення пір і пустот.
Дислокований атом - це атом, що вийшов з вузла решітки і зайняв місце в междоузлие. Концентрація дислокованих атомів значно менше, ніж вакансій, так як для їх освіти потрібні істотні витрати енергії. При цьому на місці перемістилися атома утворюється вакансія.
Домішкові атоми завжди присутні в металі, так як практично неможливо виплавити хімічно чистий метал. Вони можуть мати розміри більше або менше розмірів основних атомів і розташовуються у вузлах решітки або междоузлиях.
Дислокація - це дефекти кристалічної будови, що представляють собою лінії, уздовж і поблизу яких порушено характерне для кристала правильне розташування атомних площин.
Крайова дислокація являє собою лінію, уздовж якої обривається всередині кристала край "зайвої" півплощині
Неповна площина називається екстраплоскості.
Більшість дислокацій утворюються шляхом сдвигового механізму. Її утворення можна описати за допомогою наступної операції. Надрізати кристал по площині АВСD, зрушити нижню частину відносно верхньої на один період решітки в напрямку, перпендикулярному АВ, а потім знову зблизити атоми на краях розрізу внизу.
Найбільші спотворення в розташуванні атомів в кристалі мають місце поблизу нижнього краю екстраплоскості. Вправо і вліво від краю екстраплоскості ці спотворення малі (кілька періодів решітки), а вздовж краю екстраплоскості спотворення простягаються через весь кристал і можуть бути дуже великі (тисячі періодів решітки).
Якщо екстраплоскості знаходиться у верхній частині кристала, то крайова дислокація - позитивна, якщо в нижній, то - негативна. Дислокації одного знака відштовхуються, а протилежні притягаються.
У процесі кристалізації атоми речовини, що випадають з пара або розчину, легко приєднуються до сходинки, що призводить до спіральних механізму росту кристалу.
Лінії дислокацій не можуть обриватися усередині кристала, вони повинні або бути замкнутими, утворюючи петлю, або розгалужуватися на декілька дислокацій, або виходити на поверхню кристала.
Дислокаційна структура матеріалу характеризується щільністю дислокацій.
Щільність дислокацій в кристалі визначається як середнє число ліній дислокацій, які перетинають всередині тіла майданчик площею 1 м 2. або як сумарна довжина ліній дислокацій в об'ємі 1 м 3
Щільність дислокацій змінюється в широких межах і залежить від стану матеріалу. Після ретельного відпалу щільність дислокацій становить 10 5 ... 10 7 м -2. в кристалах з сильно деформованої кристалічною решіткою щільність дислокацій досягає 10 15 ... 10 16 м -2.
Щільність дислокації в значній мірі визначає пластичність і міцність матеріалу.
Мінімальна міцність визначається критичною щільністю дислокацій
Якщо щільність менше значення а, то опір деформації різко зростає, а міцність наближається до теоретичної. Підвищення міцності досягається створенням металу з бездефектной структурою, а також підвищенням щільності дислокацій, що утрудняє їх рух.
Високо- і малокутових кордону.
Кордон між зернами - поверхневий дефект, в якому кут разоріентіровкі між сусідніми кристалічного гратами становить 5-10 градусів (високоугловая межа)
Кут разоріентіровкі між окремими блоками менше 5 градусів (малокутових межа). Простір між блоками - сукупність лінійних дислокацій.
Поверхневі деффекти роблять сильний вплив на механічні властивості.
т = 0 + kd -1/2 - межа плинності (d - розмір зерна).
4. Процес кристалізації металів.
Кристалізацією називається перехід з рідкого в твердий стан з освітою кристалічних решіток або кристалів. У реальних металевих тілах кристалізація розплавів закінчується утворенням структури складно переплетених кристалів - дендритів. Їх морфологія визначає властивості матеріалів. При утворенні кристалів їх розвиток йде в основному в напрямку, перпендикулярному площинах з максимальною щільністю упаковки атомів. Це призводить до того, що спочатку утворюються довгі гілки, так звані осі першого порядку. Одночасно з подовженням осей першого порядку на їх ребрах зароджуються і ростуть перпендикулярні до них такі ж гілки другого порядку. в свою чергу на них ростуть осі третього порядку і т.д. Утворюються кристали деревовидної - дендритних форми.
Процес кристалізації відбувається в два етапи: утворення зародків кристалів; зростання утворилися кристалів.
У реальних металах центрами кристалізації є тугоплавкі частинки і стінки ливарної форми.
В чистих металах центрами кристалізації служать області з дальнім порядком розташування атомів (кластери), тобто їх будова близько до будови кристалічної решітки.
Чим більше швидкість охолодження (ступінь переохолодження), тим більше дрібнозернистий структура утворюється. Якщо швидкість охолодження порядку 10 5 -10 6 градусів в секунду, виходить аморфна структура.
Метали і сплави в залежності від температури можуть співіснувати в різних кристалічних формах, або в різних модифікаціях. При полиморфном перетворення одна кристалічна решітка змінює іншу. Поліморфний перетворення відбувається в тому випадку, якщо при даній температурі може існувати метал з іншої кристалічною решіткою і меншим рівнем вільної енергії. Показана крива охолодження чистого заліза і поліморфні перетворення в металі.
Поліморфний перетворення - кристалізаційний процес і здійснюється шляхом утворення зародків і подальшого їх зростання. Освіта зародків йде з дотриманням принципу структурного і розмірного відповідності. Зростання зерен нової фази відбувається шляхом невпорядкованих, взаємно не зв'язаних переходів окремих атомів (групи атомів) через мажфазную кордон. В результаті межа нових зерен пересувається в бік вихідних, поглинаючи їх. Зародки нової фази виникають на межі старих зерен або в зонах з підвищеним рівнем вільної енергії.
Знову утворюються кристали закономірно орієнтовані по відношенню до кристалів вихідної модифікації. В результаті поліморфного перетворення утворюються нові зерна, мають інший розмір і форму. Відбувається стрибкоподібне зміна властивостей матеріалу. Поліморфний перетворення також називають перекристалізацією. Якщо нагрів металу проведено до температури, трохи перевищує температуру поліморфного перетворення (критичної точки), виходить дуже дрібне зерно. Це явище використовується в практиці термічної обробки металів.
Крива ликвидуса - ABCD; крива солідусу - AHIECF; вуглець знижує температуру плавлення заліза (лінія ABC); - залізо також знижує температуру плавлення вуглецю (і Fe3C) (V- подібна форма діаграми, D - C); - температура А4 (лінія NH) зростає c збільшенням вмісту вуглецю (лінія N - I); - температура А3 (лінія GOS) зменшується зі збільшенням вмісту вуглецю; - область - твердого розчину розширюється зі збільшенням вмісту вуглецю.
Е в т е к т о і д н и й сплав: точка S = 0.83% С = перліт.
Д про е в т е к т о і д н и е сплави: від точки Р до точки S = 0.02 до 0.83% С = - Fe + перліт.
З а е в т е т о і д н и е сплави: від точки S до перпендикуляру з точки Е = від 0.83 до 2,06% С = Fe3C + перліт.
Е в т е к т и ч е с к и й сплав: точка С = 4.3% С = ледебурит.
Д про е в т е т і ч е с к и ї сплави. від перпендикуляра з точки Е до перпендикуляру з точки С = від 2.06 до 4.3% С = Fe3C + перліт + ледебурит.
З а е в т е к т и ч е с к и ї сплави: від точки С до точки F (перпендикуляр); більше 4.3% С = Fe3C + ледебурит
Фази і структурні складові стали і білих чавунів. Основними компонентами, з яких складаються стали і чавуни, є залізо і вуглець. В системі залізо цементит є наступні фази: 1. рідка фаза, 2. Аустеніт- твердий розчин вуглецю в - Fe.3. Цементит - карбід заліза Fe3 C. 4. Ферит - - Fe .твердий розчин вуглецю в
Структурними складовими діаграми залізо - вуглець є:
1. Ферит. Може містити в твердому розчині тільки 0.00001. 0.000001% С. Тому область його існування дуже мала (вузька). Максимум розчинності близько 0.02% (723 С, точка Р).
2. Перліт. - твердого розчину і Fe3C (нижче точки S). Мелкодисперсная суміш обох фаз.Евтектоід, що складається з Найменування перліт (також запропоновано Хоу) пов'язано з перламутровим блиском. - твердого розчину пов'язаний з виділенням при безперервному охолодженні тонких паралельних цементітних пластин; утворюється пластинчастий перліт.Проісходящій при безперервному охолодженні при 723 С евтектоїдний розпад
3. Ледебуріт.Назван в честь Ледебура. - твердий розчин і Fe3C) і ледебурит II (перліт і Fe3C) . - твердого розчину і цементиту. Евтектика (точка С, 4.3% С). Сплави, що містять від 2,06 до 6,67% С і мають в структурі ледебурит є білими чавунами. Можливо також наступні позначення: ледебурит I (Смесь
Форми існування цементиту:
- При утриманні З більш 0.00001% відбувається виділення третинного цементиту. При повільному охолодженні процес йде по лінії PQ. При швидкому охолодженні частина вуглецю залишається в твердому розчині, виділення третинного розчину пригнічується. Форма - пластинки і прожилки, а також голки в Феритний зерні.
- Цементит перліту. Спостерігається вже при вмісті вуглецю більше 0.02%. Тонкопластінчатая форма зерен цементиту.
- Вторинний цементит. твердого розчину. При охолодженні виділення відбувається по лінії ES. Форма: цементітная сітка, цементит по межах зерен.Продукт виділення з
- Цементит ледебуріта. При змісті вуглецю більш 2.06% - цементит в до- і заевтектоідних сплавах.
- Первинний цементит. При 4.3% С; в загальному випадку з'являється при дуже швидкому охолодженні високовуглецевих сплавів до кімнатної температури. Форма: довгі великі пластини.