1.5. Алотропія металів

    Деякі метали, наприклад, залізо, титан, олово і ін. здатні після досягнення певних темпера­тур змінювати кристалічну будову, тобто змінювати типа елементарного вічка своєї кристалічної решітки. Це явище отримало назву алотропії або поліморфізму, а самі переходи від однієї кристалічної будови до дру­гому називаються алотропічними або поліморфними.

   

На мал. 1.7 показана зміна вільній енергії F від температури t для двох варіантів кристалічної будови ж­леза: ОЦК (крива 1) і ГЦК (крива 2).

    У інтервалі температур 911-1392оC залізо має грати ГЦК, оскільки при цьому його вільна енергія менша. При t<911°С і t>1392°С, у нього має бути ре­шетка ОЦК, що має меншу вільну енергію.

    Різні алотропічні форми металів обозначают­ся буквами грецького алфавіту, при цьому низькотемператур­ні модифікації позначаються буквою α, а подальші в порядку зростання температур - буквами β, γ, δ і так далі Алотропічними формами заліза є: до 911°С - альфа-ж­лезо (α -Fe), що має ОЦК-решетку, від 911°С до 1392 °С -гамма-железо (γ -Fe) з гратами ГЦК і від 1392°С до 1539 °С тобто до температури плавлення - знову α а-Fe з гратами OЦK, проте, аби відрізнити його від низькотемпературної модифікації, його прийнято називати дельта-залізом (δ -Fе).

Мал. 1.7. Зміна вільній енергії (Fсв) залежно від температури (T) і типу кристал­ічноїй решітки: 1 - для ОЦК-решітки; 2 - для ГЦК-решітки

    Відоме в практиці так зване немагнітне бета-залізо (β -Fe) самостійною алотропічною формою не є, оскільки має таку ж, як в α -Fe ОЦК-решетку і відрізняється від нього лише відсутністю магнітних властивостей, які воно втрачає при 768°С (точка Кюрі).

 

1.6. Дефекти кристалічної решітки металу

 

    Кристалічна решітка, в якій відсутні порушення сплошности і всі вузли заповнені однорідними атомами називається ідеальною кристалі­чною решіткою металу.

    У решітці реального металу можуть знаходитися різні дефекти.

    Всі дефекти кристалічної решітки прийнято ділити на точкових, лінійних, поверхневих і об'ємних.

    Точкові дефекти співрозмірні з розмірами атомів. До них відносяться вакансії, тобто незаповнені вузли решет­ки, міжвузельні атоми даного металу (мал. 1.8), домішкові атоми заміщення, тобто атоми, по діаметру сумірні з атомами даного металу і домішкові атоми впровадження, дуже малі розміри, що мають, і тому що знаходяться в міжвузлі мал. 1.9). Вплив цих дефектів на міцність металу може бути різним залежно від їх кількості в одиниці об'єму і характеру.

Мал. 1.8. Схема утворення пари вакансія-впроваджений атом

Мал. 1.9. Домішкові атоми впровадження і заміщення

  Лінійні дефекти мають довжину,яка значно перевищує їх поперечні розміри. До них відносяться дислокації, тобто дефекти, що утворюються в решітках в результаті зсувів кристалографічних площин. 

    Дислокації бувають двох видів.

    Найбільш характерною є крайова дислокація (мал. 1.10). Вона утворюється в результаті виникнення в решітці так званої напівплощини або екстраплощини.

Мал. 1.10. Схема краєвої дислокації в ідеальному кристалі

    Нижній ряд екстраплощини власне і прийнято називати дислокацією.

    Іншим типом дислокації є гвинтова дислокація, яка є деякою умовною віссю усередині кристала, довкола якої закручені атомні площини (рис.1.11).

    У гвинтовій дислокації, так само як в краєвій, істотні спотворення кристалічної решітки спостерігаються лише поблизу осі, тому такий дефект може бути віднесений до лінійних.

    Дислокації володіють високою рухливістю, тому істотно зменшують міцність металу, оскільки полегшують утворення зрушень в зернах-кристалітах під дією прикладеної напруги.

    Дислокаційний механізм сдвиговой пластичної деформації усередині кристалів може привести до руйнування виробу. Таким чином, дислокації безпосередньо впливають на характеристики міцності металу.

Мал. 1.11. Схема гвинтової дислокації

    Для оцінки цього впливу використовується щільність дислокацій, під якою прийнято по­нимать відношення сумарної довжини дислокацій до об'єму металу, що містить їх. Щільності дислокацій вимірюється в см^-2 або м^-2.

    На мал. 1.12 у вигляді кривої ABC схематично показана за­висимость міцності металу від щільності дислокацій. Точ­ка А відповідає теоретичній міцності металу, обу­мовленній необхідністю одночасного розриву всіх міжатомних зв'язків, що проходять через площину зрушення, в разі відсутності дислокацій.

    При збільшенні кількості дислокацій (див. ділянка АВ) міцність різко знижується, оскільки на декілька порядків зменшуються зусилля, необхідні для здійснення зрушень в зернах металу при його деформації і руйнуванні.

    При щільності дислокацій 10⁶-10⁷ см^-2 (точ­ка В на кривій), міцність мінімальна, і на ділянці ВС відбувається її зростання. Це пояснюється тим, що із зростанням щільності дислокацій їх пересування відбувається не лише по парал­лельным, але і по пересічних площинах, що істотно утруднює процес деформації зерен.

Тому починаючи з точки В міцність металу зростає.

    Максимальна щільність дислокацій, може скласти 10¹³ см^-2. При подальшому зростанні щільності дислокацій відбувається руйнування металу.

Мал. 1.12. Залежність межі міцності кристала від щільності лінійних дефектів(дислокацій). Крива Одінга

    Поверхневі дефекти включають головним чином границі зерен (рис.1.13). На границях кристалічна решітка сильно спотворена. У них скупчуються дислокації, що переміщаються зсередини зерен.

    З практики відомо, що дрібнозернистий метал міцніше круп­нозернистого. Оскільки в останнього менше сумарна про­тяженность (площа) кордонів. То можна зробити вивід, що поверхневі дефекти сприяють підвищенню міцності металу. Тому створено декілька технологічних способів полу­чения дрібнозернистих сплавів.

 

Ріс.1.13. Структура границі двох сусідніх кристалічних зерен

 

    Об'ємні дефекти кристалічної решітки включають тріщини і пори. Наявність даних дефектів, зменшуючи щільність металу, знижує його міцність.

    Крім того, тріщини є сильними концентратора­ми напруги, що в десятки і більше разів підвищують напруження, які створюються в металі робочими навантаженнями. Остання обставина найістотніше впливає на міцність металу.