Тема: 1.3 Поліморфізм металів. План

1. Анізотропія кристалів

2. Поліморфізм металів

2.1. Поліморфізм заліза

2.2. Алотропія

3. Дефекти кристалічної будови

3.1 Точкові дефекти

3.2 Дислокації

3.3 Поверхневі дефекти

3.4 Об’ємні дефекти

Рекомендована література:

1. Самохоцкий а.Н. „Металловедение”, изд. Металургія, 1990, м.

2. Бялик о.М., Черненко в.С., Писаренко в.М., Москаленко ю.Н. Металознавство м. ”Политехника”, 2002

3. Лахтин ю.М. „Металловедение” и „Термическая обработка металлов”; м „Металлургия”; 1979

Студенти повинні знати:

Основні поняття про анізотропію, поліморфізм, дефекти кристалічної будови.

Студенти повинні вміти:

Визначити тип дефекту кристалічної будови.

1. Анізотропія кристалів

А нізотропія - різниця властивостей кристалічних тіл у різних напрямках. Вона зумовлена різними відстанями і, отже, різними значен­нями сил зв'язку між іонами в різних напрямках у кристалі (мал. 1.13).

Чим більше елементів симетрії має кристалічна гратка, тим меншою буде її анізотропність. Анізотропія зменшується також при переході від спрямованого ковалентного до не спрямованого метале­вого зв'язку. Аморфні матеріали зазвичай ізотропні, а полікристалічні тіла, що складаються з великої кількості дезорієнтованих кристалів, квазіізотропні, тобто мають однакові властивості у різних напрямках.

Анізотропія металів має велике практичне значення. Наприклад, у кристалі чистої міді, що має ГЦК - гратку, границя міцності при розтягненні у напрямку [100] становить 146 МПа, тоді як у напрямку [110] ця характеристика сягає 350 МПа.

У деяких випадках бажано мати анізотропні полікристалічні тіла, коли ґратки більшості кристалів мають певну орієнтацію в просторі так звану текстуру. Останню можна одержати при значній пластичній деформації, кристалізації, електролізі тощо. Наприклад, у сталевих листах, з яких комплектують осердя трансформаторів, втрати енергії при перемагнічуванні будуть мінімальними, якщо вісь [100] кристаліч­ної ґратки збігатиметься з напрямком прокатування, а площина куба {110} знаходитиметься в площині прокатування.

2. Поліморфізм металів

Поліморфізмом називається наявність у багатьох металів і деяких неметалів різних кристалічних ґраток, стійких у певних інтервалах температури чи тиску. Відповідно розрізняють термічний та баричний поліморфізм. Різні кристалічні структури одного і того самого елемента називаються його поліморфними модифікаціями і познача­ються початковими літерами грецької абетки – α, β, γ, починаючи із низьких температур.

Перехід однієї модифікації в іншу називається поліморфним перетворенням. У чистих металах ці перетворення відбуваються при постійній та завжди однаковій температурі і, отже, є ще однією характеристикою даного металу. Приклади поліморфізму у практично важливих металах наведені в табл. 1.2.

Таблиця 1.2. Поліморфізм деяких металів

Метал	Хімічний знак	Модифікація	Інтервал існування, ºС	Гратка
Залізо	Fe	α	нижче 910	ОЦК (А2)
		γ	910 ... 1401	ГЦК (А1)
		δ(α)	1401 ... 1534	ОЦК (А2)
Кобальт	Co	α	нижче 450	ГК (А3)
		β	450 ... 1493	ГЦК (А1)
Марганець	Mn	α	нижче 710	Складна ОЦК (А12)
		β	710 ... 1079	Складна кубічна (А13)
		γ	1079 ... 1143	ГЦК (А1)
		δ	1143 ... 1244	ОЦК (А2)
Олово	Sn	α	нижче 13,2	Типу алмаза
		β	13,2 ... 232	Тетрагональна
Титан	Ti	α	нижче 882	ГК (А3)
		β	882 ... 1668	ОЦК (А2)
Цирконій	Zr	α	нижче 862	ГК (А3)
		β	862 ... 1855	ОЦК (А2)

На мал. 1.14. показані температурна залежність вільної енергії та діаграма стану поліморфного металу, що має 2 модифікації – α та β.

Лінія КL відповідає стану, коли термодинамічні умови існування різних модифікацій металу однакові, тобто можливе рівноважне співіснування кристалів α і β. При тиску P₁ цьому відповідає темпе­ратура Т₁. При вищих температурах буде стабільна β-модифікація, при нижчих - α.

У реальних умовах, при нагріванні чи охолодженні з кінцевою швидкістю, перетворення α→β відбувається при перегріванні або переохолодженні, при цьому ступінь перегрівання завжди менший, ніж переохолодження. Завдяки цим обставинам рівноважна температура То не лише зміщується вверх або вниз, але й розтягується на певний інтервал температур (мал. 1.14, в).

Перекристалізація при поліморфному перетворенні, як і кристалі­зація рідини, відбувається шляхом утворення зародків нової фази та подальшого їх зростання. При нагріванні це перетворення супровод­жується поглинанням теплової енергії, а при охолодженні - її виділен­ням.

Крім теплового ефекту, поліморфне перетворення супроводжу­ється також об'ємним ефектом, інколи - досить значним. Так, при перетворенні білого β – олова на сіру α – модифікацію об'єм збільшується на 25%, що призводить до виникнення значних внутрішніх напружень у деталях, виготовлених з цього металу.

При поліморфному перетворенні різко (стрибком) змінюється чимало властивостей металів і сплавів: питомий об'єм, теплоємність, теплопровідність, електропровідність, магнітні, механічні, хімічні тощо.