Лекция № 2
Процесс кристаллизации.
Наклеп и рекристаллизация.
Дефекты строения кристаллических тел
План
- Процесс кристаллизации. Наклеп и рекристаллизация
- Дефекты строения кристаллических тел
Кристаллическое строение металлов
Некоторые металлы при разных температурах могут иметь разную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма.
Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.
При полиморфном превращении меняется форма и тип кристаллической решетки – происходит перекристаллизация.
При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства, в частности плотность и, соответственно, объем вещества.
Процесс кристаллизации
Кристаллизация – переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое). Кристаллизация протекает вследствие перехода к более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Свободные энергии жидкого и твердого состояний уменьшаются с повышением температуры.
Процесс кристаллизации развивается при условиях, если возникает разность свободных энергий и свободная энергия твердого металла меньше, чем жидкого.
Схема образования кристаллических зерен
Процесс кристаллизации
При определенной для каждого металла температуре в жидком металле или сплаве появляются центры кристаллизации (а).
По мере охлаждения появляются новые центры кристаллизации и происходит рост старых (б, в, г, д). На этой стадии в жидком металле могут образоваться кристаллы правильной геометрической формы, так как формированию их не препятствуют соседние кристаллы.
Перед полным затвердеванием свободный рост кристаллов прекращается и форма их искажается вследствие взаимного давления (е). Таким образом, в изломе застывшего металла образуются кристаллы уже неправильной формы, называемые зернами .
Процесс образования зерен имеет большое практическое значение, так как от их расположения, формы и особенно от величины зависят свойства металла.
Наклеп и рекристаллизация
Наклеп – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванного пластической деформацией. При деформации зерна меняют свою форму и ориентацию, образуя волокнистую структуру с преимущественной ориентацией кристаллов. Происходит разворот беспорядочно ориентированных зерен осями наибольшей прочности вдоль направления деформации.
Рекристаллизация является диффузионным процессом и протекает неравномерно: одни зерна зарождаются и растут раньше, другие позднее. После рекристаллизации металл состоит из новых равноосных зерен.
Процесс рекристаллизации протекает в две стадии. Различают первичную и собирательную рекристаллизацию. Первичной рекристаллизацией называют процесс образования новых равноосных зерен. Новые зерна возникают на границах блоков и старых зерен – там, где решетка наиболее искажена при наклепе. В результате первичной рекристаллизации наклеп металла снимается, и свойства приближаются к исходным значениям. Плотность дислокаций также уменьшается до первоначального уровня.
Дефекты строения кристаллических тел
Природные монокристаллы и поликристаллы не обладают строгим расположением атомов, они содержат те или иные дефекты.
Дефекты могут быть точечными, линейными (одномерными), поверхностными (двумерными) и объемными (трехмерными).
К точечным дефектам относятся пустые узлы (вакансии) в кристаллической решетке; межузельные атомы – атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки: привесные атомы, которые могут замещать атомы основного металла.
К линейным дефектам относят дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное расположение атомных плоскостей.
Дислокации
Поверхностными дефектами считаются субзерна (блоки) и различная ориентация кристаллических решеток.
Объемные дефекты характеризуются размерами в трех измерениях. К ним относятся трещины, поры и т.д.
Схема изменения микроструктуры металла