Анизотропия свойств кристаллов

Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления. Возникает в результате упорядоченного расположения атомов в пространстве.

Свойства кристаллов определяются взаимодействием атомов

В кристалле расстояния между атомами в различных кристаллографических плоскостях различны, поэтому различны и свойства.

Например, прочность и пластичность монокристалла меди изменяются в зависимости от направления 180-350 Мпа, и 10-50 %. Для поликристалла прочность 250 Мпа, пластичность 40%.

В природе кристаллические тела – поликристаллы, т.е. состоят из множества мелких различно ориентированных кристаллов. В этом случае анизотропии нет, т.к. среднестатистическое расстояние между атомами по всем направлениям оказывается примерно одинаковым.

В связи с этим поликристаллические тела считают квазиизотропными (мнимо).

Все аморфные тела – изотропны - свойства у них одинаковы во всех направлениях.

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЛИТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.

Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией.

Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно – самопроизвольная кристаллизация.

Или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации – несамопроизвольная кристаллизация.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое можно изобразить графически в координатах температура – время по так называемым кривым охлаждения

Т

Ткр

время

Д.К.Чернов , изучая структуру литой стали указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

1. зарождения мельчайших зародышей или центров кристаллизации

2. роста кристаллов из этих центров

Этот процесс можно изучать с помощью рассмотрения моделей (схем), что успешно применялось Миркиным И.Л.

Предположим, что на некоторой площади за 1 сек возникает 5 центров кристаллизации, которые растут с определенной скоростью. К концу 1-ой сек образовалось 5 зародышей, к концу «-й они выросли и возникло еще 5 зародышей, к концу 2-й они выросли и так далее. Так в результате возникновения зародышей и их роста происходит процесс кристаллизации.

При образовании кристаллы растут свободно, они могут иметь геометрически правильную форму. При столкновении же растущих кристаллов их правильная форма нарушается. В результате этого при после затвердевания кристаллы имеют неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами.

ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ.

Атомы элемента могут образовывать любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а, следовательно, и реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

Так, вольфрам, хром и др имеют ОЦК решетку, медь, серебро и др. – ГЦК.

Однако в ряде случаев при изменении температуры может оказаться, что для того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем была при другой температуре.

Существование одного металла в нескольких кристаллических формах называется ПОЛИМОРФИЗМОМ или АЛЛОТРОПИЕЙ.

Аллотропические формы обозначают буквами греческого алфавита.

Превращение одной аллотропической формы в другую при нагреве чистого металла сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре – горизонтальный участок на термической кривой.

Такие металлы как железо, кобальт, олово, марганец, титан и др имеют полиморфные превращения.

ПРАВИЛО ФАЗ или ЗАКОН ГИББСА

Постоянная температура при кристаллизации или, что тоже самое – наличие площадки на кривой охлаждения, объясняется, доказывается важнейшим физико-химическим законом, так называемым, правилом фаз или законом Гиббса.

Правило фаз – это закон, выражающий соотношение между числом фаз Ф, числом компонентов К, внешних переменных В и числом степеней свободы для равновесной температуры.

Чтобы успешно пользоваться этим правилом необходимо дать понятия этим величинам.

ФАЗА – это однородная часть системы, ограниченная от другой части системы поверхностью раздела при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно.

КОМПОНЕНТАМИ системы называют химические соединения или элементы, из которых может быть образована любая система. Это может быть один металл или элементы сплава.

ЧИСЛОМ СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ – или ВАРИАНТНОСТЬЮ СИСТЕМЫ называют количество факторов ( концентрация, температура, давление), которые можно произвольно изменять без изменения числа фаз системы.

Математически выражение правила фаз имеет вид:

С = К - Ф + 1 , где

К – количество компонентов, образующих систему

Ф- число фаз в системе

В – число внешних переменных

Применяя правило фаз к металлам, можно во многих случаях принять изменяющимся только один внешний фактор – температуру, т.к. давление мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях.

Тогда правило фаз примет вид:

С = К – Ф + 1

Математически - степень свободы – это разность между числом переменных и уравнений, в которые входят эти переменные

Если С =0, то такое равновесие называется НОНВАРИАНТНЫМ.

При нонвариантном равновесии сплав из данного числа фаз может существовать только в совершенно определенных условиях - при постоянной температуре. На кривой охлаждения – площадка.

Если С = 1, то система называется МОНОВАРИАНТНОЙ, система находится не в равновесии, следовательно, температура меняется – на кривой пер

ЛЕКЦИЯ 2