§2.4. Общие свойства металлов и сплавов, как веществ,

имеющих нарушения сплошности среды [2].

Обычно металлы существуют в форме разнообразных кристаллов.

Кристаллы - это твердые тела, имеющие правильное периодическое расположение составляющих их частиц (кристаллическая решетка). Кристаллы ограничены плоскими, упорядочено расположенными друг относительно друга гранями, сходящимися в ребрах и вершинах (узлах кристаллической решетки). При температуре ниже точки кристаллизации кристаллическое состояние является устойчивым состоянием всех твердых тел.

Кристаллические вещества в отличии от других имеют порядок в расположении частиц.

Монокристаллы имеют форму правильных многогранников, обусловленную их химическим составом. Большинство твердых тел- поликристаллы., т.е. состоят из большого количества сросшихся мелких кристаллов, зерен.

Кристаллы имеют симметрию, состоящую в том, что любому заданному направлению в кристалле соответствует одно или несколько направлений, которые в отношении рассматриваемых свойств являются совершенно одинаковыми.

На рис. 2.10 показаны чаще всего наблюдаемые формы кристаллов.

Размеры кристаллической решетки характеризуются ее параметрами- ребро куба a= (2,8- 6)*10^-10 м= 0,28- 0,60 нм. и высота призмы с. Когда с/а= 1,633, то атомы упакованы наиболее плотно и такая решетка называется гексагональной плотно упакованной.

Кристаллическая решетка характеризуется также коэффициентом компактности Q и координационным числом К- число атомов, находящихся на наименьшем равном расстоянии от данного атома. Так, Q_ГЦК= 74%, К_ГЦК= 12; Q_ОЦК= 68%, К_ОЦК= 8; Q_алмаза= 38%.

Элементарной ячейкой является минимальный объем кристалла, содержащий одну частицу вещества.

Тепловое движение связанных частиц, атомов, твердых тел состоит в их колебаниях относительно узлов кристаллической решетки. При увеличении температуры T амплитуда колебаний возрастает. Атомы имеют разную энергию. Поэтому отдельные наиболее энергонасыщенные колеблются сильней и могут перемещаться с одного места на другое.

В таком случае бывшее место (узел) оказывается свободным. Этот точечный дефект называется вакансией. Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя. На свободное место из кристалла перемещается другой атом, т.е. вакансия перемещается вглубь кристалла.

а) б) в)

г) д) е)

ж) з)

Рис. 2.10 Формы кристаллических решеток:

кубические

а) примитивная;

б) объемно- центрированная кубическая (ОЦК) - Cr, V, W, Na ...;

в) гранецентрированная кубическая (ГЦК)- Ni, Cu, Ag...;

тетрагональные

г) примитивная;

д) объемно-центрированная;

е) базоцентрированная;

гексагональные

ж) примитивная;

з) плотно упакованная (ГПС).

С повышением температуры увеличивается количество вакансий, и они чаще переходят из одного узла в другой. Вакансии играют решающую роль в диффузионных процессах в металлах. Чем выше концентрация вакансий, тем больше скорость диффузии. Описанные несовершенства- точечные несовершенства.

Линейные несовершенства, называемые дислокациями, показаны на рис. 2.11.

Рис. 2.11.

Краевая дислокация

Линия АД, перпендикулярная направлению сдвига, характеризуют краевую дислокацию. Ее длина может достигать нескольких тысяч межатомных расстояний.

Образование дислокаций возможно при кристаллизации, пластической деформации, термообработке и т.п. Дислокации сильно влияют на свойства металлов.

Процесс формирования субзерен, не имеющих дислокаций, называется полигонизацией.

В металлах и сплавах возможны поверхностные несовершенства. Такими являются границы зерен и блоков металла. Они показаны на рис.2.12.

Рис. 2.12.

Схема блочной

структуры кристалла.

В различных плоскостях кристаллической решетки атомы расположены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в разных направлениях отличаются. Такое явление называется - анизотропией.

Все кристаллы анизотропны.

Аморфные тела, например, смола, в разных направлениях имеют одинаковую плотность расположения атомов. Это изотропия.

В металлах, состоящих из большого количества поразному ориентированных мелких анизоторопных кристаллов (поликристалл), свойства во всех направлениях одинаковы. Это квазитропия. (Квази- мнимый).

При переходе металла из жидкого состояния в твердое происходит процесс кристаллизации, а при плавлении- рекристаллизация. В обоих случаях меняется объем. В таблице № 2.3 показано, как меняются объемы некоторых веществ.

Изменение объемов веществ.

Табл. № 2.3

Вещество	Тпл С	V/V
Алюминий Al	658,7	6,6
Медь Сu	1083	3- 4
Железо Fe	1539	2- 3,6
Лед	0	- 8,3

Кристаллизация происходит в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией, называемой энергией Гибса (G), т.е. когда G_{кристалла}< G_{жидк. фазы}.

Если превращение происходит с небольшими изменениями объема V, то G= E- Ts, где Е- полная энергия фазы; Т- абсолютная температура; s- энтропия.

Для расплавления вещества необходимо затратить следующее количество энергии Q= m, где m - масса вещества, а удельная теплота плавления  может быть определена из таблицы 2-4

Удельная теплота плавления веществ.

Табл. 2-4

Вещество	Al	Лед	Fe	Ag	Сталь	Hg	Cu
, Дж/кг	3,9*105	3,4*105	2,7*105	0,87*105	2,05*105	0,12*105	2,1*105

На рис. 2.13 показан характер изменения температуры при охлаждении расплавленных тел.

Процесс кристаллизации развивается только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Т_п, т.е. когда G_кр< G_ж. Участок на кривых рис. 2.13, параллельный оси времени t, обусловлен выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод тепла при охлаждении.

При равновесной температуре жидкая и твердая фазы существуют одновременно.

Разность Т_п- Т_к= Т- степень переохлаждения.

Чем больше скорость охлаждения расплавленного металла, тем выше степень переохлаждения.

а) б) в)

Рис. 2.13. Изменения температуры при охлаждении тел:

а- чистый металл при медленном охлаждении;

б- охлаждение металла с разными скоростями (v₃>v₂>v₁);

в- охлаждение аморфного тела.

Чем чище металл, тем более он склонен к переохлаждению. Обычно Т= 10- 30С.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается во время роста их числа и размеров [2].

При переохлаждении сплава ниже температуры плавления во многих участках объема образуются устойчивые, способные к росту кристаллические зародыши. Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют достаточно правильные геометрические формы. После столкновения их с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается туда, где есть питающая жидкость. Поэтому они получают неправильную форму, называемую кристаллитами или зернами.

Образование первых кристаллов.

В жидком металле атомы располагаются неравномерно, кучками, в отличии от газообразного состояния. Из- за интенсивного теплообмена кучки рассасываются и возникают в другом месте. Чем ниже Т, тем больше размеры таких кучек. При температуре, близкой Т плавления , в жидком металле возможно образование небольших группировок с упаковкой атомов, как в кристаллах. Это- фазовые флюктуации или гетерофазовые. В чистом от примесей металле наиболее крупные из них превращаются в центры кристаллизации. Рост таких центров возможен в случае, если они достигли величины, когда их рост ведет к уменьшению энергии Гибса.

Минимальный размер зародыша, способного к росту при данных температурных условиях- это его критический размер, а сам зародыш критический или равновесный.

Кристаллы после затвердения могут, как говорилось, иметь разную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще образуются разветвленные (древовидные) кристаллы, называемые дендриты (рис. 2.14). Такое строение выявляется после специального травления, шлифов. Дендритное строение характерно для литого металла.

Рис.2.14 Дендрит.

При затвердевании слитка кристаллизация начинается у поверхности более холодной формы и происходит в примыкающем к ней тонком слое сильно переохлажденной жидкости. Из-за большой скорости охлаждения это приводит к образованию на поверхности слитка очень узкой зоны достаточно мелких равноосных кристаллитов. За этой зоной расположена другая, содержащая удлиненные кристаллиты. Их рост происходит в направлении отвода тепла.

При сильном перегреве, быстром охлаждении, высокой температуре литья и спокойного заполнения формы зона удлиненных дендритных кристаллов может полностью заполнить весь объем слитка.

При низкой температуры литья, медленном охлаждении в крупном отливке создаются условия для возникновения кристаллитов в средней части слитка. Здесь располагаются равноосные различно ориентированные дендритные кристаллиты.

Тугоплавкие частицы способствуют развитию зоны мелких равноосных кристаллитов.

В металле могут образовываться столбчатые кристаллы. Зоны таких кристаллов имеет высокую плотность, но на стыках она понижена и при ковке, прокатке здесь могут возникать трещины. Однако для пластичных металлов (цветных) желательно распространение столбчатых кристаллитов, т.е. здесь не может быть разрушения при обработке давлением.