книги из ГПНТБ / Рудой, Б. Л. Композиты

ВАКАНСИИ И «ЧУЖИЕ» АТОМЫ

Микроскопические особенности строения материалов сказываются на такой их практически важной макроскопической характеристике, как прочность и разрушение.

Т. Иокобори

совершенном кристалле с идеально правильной решет­ кой периодическое расположение атомов должно про­

стираться до бесконечности. Однако таких кристал­ лов не существует, так как решетка реальных кри­ сталлов искажена не только колебаниями атомов, которые достигают ІО13 в секунду, но и физическими дефектами.

Наиболее распространенным дефектом является вакансия — узел решетки, в котором отсутствует атом или ион. Дефектом, противоположным вакан­ сии, служит узел решетки с внедренным чужеродным (примесным) атомом. Оба эти дефекта называются точечными.

Как размещаются в кристаллической решетке примесные атомы? Чаще всего они замещают в кри­ сталле атомы основного элемента. Примесные атомы могут быть меньше или больше атомов основного элемента. Присутствие «чужаков», в особенности между узлами решетки, вызывает ее искажение. Междоузельные атомы и вакансии искажают вокруг

31

себя решетку на расстоянии, много большем, чем расстояние между ее соседними узлами. Атом может покинуть узел решетки и попасть в междоузлие, если получит извне достаточно большое количество энер­ гии, например, благодаря удару быстро летящего нейтрона.

Каким образом возникают вакансии? С повыше­ нием температуры амплитуда колебаний атомов мо­ жет достичь значительной величины. Некоторые ато­ мы «выпрыгивают» из узлов решетки, оставляя их свободными. Каждой температуре соответствует термодинамическая вероятная концентрация вакан­ сий.

Представление об атомных дефектах кристалли­ ческой решетки впервые высказал советский физик Я. Френкель в статье «О тепловом движении в твер­ дых и жидких телах». Атом, получивший вследствие тепловых флуктуаций достаточно большую кинетиче­ скую энергию, покидает свой узел и переходит в меж­ доузлие. При этом образуются вакансия и междоузельный атом. Их часто называют «парой Френ­ келя».

Немецкие ученые К. Вагнер и В. Шоттки предло­ жили иную схему образования дефектов, по которой часть атомов или ионов переходит из глубины крис­ талла на его поверхность и внутри него образуются вакансии.

Образование дефектов в кристаллической решет­ ке резко повышает подвижность составляющих ее атомов (ионов). Атомы, расположенные в междоуз­ лии, могут переходить из одного междоузлия в дру­ гое, преодолевая небольшой энергетический барьер, намного меньший, чем тот, который нужен для обра­ зования дефекта. Точно так же способна переме­ щаться по решетке и вакансия, в которую могут пе-

32

реходить атомы из находящихся рядом узлов. Сме­ щение вакансий эквивалентно перемещению атомов в противоположном направлении.

Одиночные вакансии можно увидеть лишь при увеличении около 10 000 000 раз посредством ионной микроскопии.

Могут ли вакансии при движении в глубину или

кповерхности встретиться? Несомненно. При этом

врешетке образуется своеобразная пустота — скоп­ ление вакансий, что зачастую приводит к новым де­ фектам решетки — дислокациям, о которых мы еще будем говорить.

Как примесные атомы влияют на пластические свойства металла? Рассмотрим это на примере мо­ либдена. Он отличается высокой теплопроводностью, малым коэффициентом теплового расширения, вы­ соким модулем упругости. Все эти свойства открыли ему двери в космос. Но при низких температурах молибден может быть хрупким. В чем причина?

Установлено, что температура перехода металлов

собъемно-центрированной кубической решеткой из пластичного в хрупкое состояние во многом зависит от содержания в них примесей, образующих твердые

растворы внедрения по границам зерен и внутри них. При высоких температурах в молибдене, воль­ фраме, хроме и железе хорошо растворяются (внед­ ряются в решетку) атомы углерода, кислорода, азота и водорода.

Из-за высокой реактивной способности молибде­ на, ниобия, тантала и вольфрама их плавление или спекание ведут в защитной среде инертного газа вы­ сокой чистоты или в вакууме. В вакуумной дуговой печи рекомендуется производить плавку только очень чистых слитков металла, так как степень очи­ стки в ней относительно небольшая. Электронно-лу-

чевая печь представляет собой более эффективный аг­ регат для очистки металла от газовых включений.

В конверторе и в мартеновской печи сталь кон­ тактирует с огнеупорной футеровкой и загрязняется частицами окислов и других соединений. Атмосфера щедро снабжает раскаленную стальную болванку кислородом, азотом и водородом. Вынутая из излож­ ницы болванка может оказаться усеянной газовыми раковинами.

Современное сталелитейное производство исполь­ зует дуплекс-процесс, на первом этапе которого по­ лучают сплавы в мощных вакуумных дуговых или индукционных печах емкостью до нескольких десят­ ков тонн. На втором этапе применяют вакуумные печи малой емкости, из которых производится отлив­ ка изделий. Однако вакуумная плавка — дело непро­ стое. Получить и сохранить глубокий вакуум трудно и дорого. Кроме того, такие компоненты жаропроч­ ных сплавов, как марганец и хром, при вакуумной плавке испаряются. Гораздо эффективнее плазменно­ дуговая плавка и плазменно-дуговой переплав.

Плазменно-дуговой переплав в аргоне —прекрас­ ный способ рафинирования металла. В этом случае при атмосферном или повышенном давлении ней­ трального газа в камере печи потери легирующих компонентов сплава, даже летучих, сводятся к мини­ муму. Такой обработке подвергают нержавеющие стали, особенно низкоуглеродистых марок, шарико­ подшипниковые стали, жаропрочные сплавы, сплавы на основе благородных металлов — платины, палла­ дия, серебра и др.

Для улучшения свойств сплавов часто использу­ ется процесс проникновения в твердое тело чужёродных атомов (диффузия). Достаточно вспомнить о специальной обработке стали углеродом (цемента-

34

ции), азотом и бором. Несовершенства кристалличе­ ской решетки облегчают чужеродным атомам путе­ шествие внутри нее. При небольших размерах этих атомов они свободно перемещаются в междоузлиях. Обработку углеродом, азотом и бором начинают пос­ ле механической деформации, когда диффузия чуже­ родных атомов значительно облегчается несовершен­ ствами решетки.

Цементации подвергают шейки коленчатых ва­ лов, кулачки распределительных валиков, оси, шес­ терни. Высокая твердость азотированного слоя сохра­ няется вплоть до 600° С. Азотированию, впервые при­ мененному около 50 лет назад, подвергают гильзы штоков, штоки клапанов, некоторые валы, работаю­ щие в жестких температурных режимах. К азотиро­ ванию прибегают при обработке легированных конст­ рукционных, инструментальных, нержавеющих, жаро­ прочных и немагнитных сталей, чугуна, титана и металлокерамических изделий.

Для защиты от воздействия горячих газов сталь­ ные детали алитируют — насыщают алюминием. Та­ кой обработке подвергают камеры сгорания, сопла и выхлопные патрубки поршневых двигателей.

2*

ПОЛИМОРФИЗМ ЖЕЛЕЗА

ИТИТАНА

ИСЕКРЕТ СПЛАВОВ

Расторопный ковач, изготовив то­

жает, и звонко шипит он в холод­

ной влаге...

Гомер

торым никто не мог сравниться в искусстве изготов­ лять несокрушимое оружие и украшения из золота и серебра, не подозревал о многих известных теперь секретах металлов.

нако тогда никто не представлял себе значения тер­ мообработки. Стальные клинки, термообработка ко­ торых случайно оказалась идеальной, прославились на весь мир. Изучение стали дамасских клинков по­ казало, что она весьма неоднородна, а в старинных японских мечах благодаря специальной термообра­ ботке режущие кромки обладают высокой твер­ достью, в то время как остальная часть отличается вязкостью.

Нагрев чистого железа до 910° меняет кристал­ лическую решетку. До нагрева она кубическая, объ­

36

емно-центрированная (а-жслсзо), после нагрепа ста­ новится кубической гранецентрированной (у-железо). Явление изменения кристаллической решетки желе­ за, его полиморфизм, открытый в 1868 году Д. Чер­ новым, играет большую роль при создании вы­ сокопрочных сталей. В y-железе может содержаться значительно большее количество твердого раствора углерода, чем в a-железе, так как между узлами кубической объемно-центрированной решетки недо­ статочно места для размещения атомов углерода.

При высоких температурах в железе может рас­ твориться до 2 процентов углерода. В этом случае сплав называют сталью. Закалка фиксирует проме­ жуточное кристаллическое состояние сплава при комнатной и высокой температуре. Последующая термообработка нужна для использования различной способности у- и a-железа растворять углерод и ле­ гирующие элементы для получения углеродистых и легированных сталей. Твердый раствор углерода в у-железе назван аустенитом. Избыточный углерод (сверх 2 процентов) не растворяется в железе. Со­ единяясь с железом, он образует карбид железа ИезС, или цементит. Чугун представляет собой сплав из зерен аустенита и цементита. С увеличением содер­ жания углерода в сплаве возрастает количество це­ ментита. Сталь делается тверже.

Более вязкая и пластичная сталь получается тог­ да, когда в ней содержится много феррита, или чи­ стого железа. При медленном охлаждении, когда углерода в сплаве 0,8 процента, из аустенита одно­ временно выделяются феррит и цементит. После шлифовки и травления поверхность сплава начинает отливать цветами радуги, становится похожей на перламутр. Сплав такой структуры называется перлитом.

37

Сталь наилучшей структуры именуется мартен­ ситом. Она представляет собой перенасыщенный ра­ створ углерода в a-железе. При быстром охлажде­ нии и закалке стали с 0,8 процента углерода происхо­ дит перекристаллизация. Оставшиеся атомы углеро­ да мешают перестройке, в результате чего решетка Y-железа искажается. Свойства сталей зависят от режима образования структуры мартенсита и после­ дующего его распада при отпуске, т. е. при нагреве, когда процесс диффузии позволяет атомам перегруп­ пироваться и образовать более постоянную, устойчи­ вую структуру с оптимальными твердостью и плас­ тичностью.

Чтобы добиться мелкозернистой структуры стали, зачастую пользуются многократными циклами фазо­ вого перехода, несколько раз нагревая и охлаждая

плотноупакованной гексагональной становится куби­ ческой объемно-центрированной. Плотноупакованная фаза титана является низкотемпературной, тогда как в железе она высокотемпературная. Ведь структура железа при 910° меняется — из кубической объемно­ центрированной превращается в кубическую гране­ центрированную. Полиморфное превращение позволя­ ет производить термическую обработку сплавов ти­ тана аналогично сплавам легированных сталей.

Легирующие элементы (ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, ниобий, молибден, тантал, вольфрам) могут стабилизировать высокотемпера­ турную фазу при закалке. Последующее разложение этой неустойчивой фазы путем отпуска или старения приводит к значительному улучшению механических

38

свойств сплава. Легирующие элементы в большей степени растворимы в высокотемпературной ß-фазе.

Алюминий и олово — единственные практически важные элементы, характеризующиеся большой сте­ пенью растворимости в низкотемпературной фазе а-титана. Почти все промышленные сплавы из-за медленного охлаждения после ковки и прокатки при­ обретают смешанную альфа-, бета-структуру.

Не менее 30 металлов (олово, уран, кобальт, лантан, бериллий и др.) обладают температурным полиморфизмом (способностью кристаллизоваться в разных формах при одном и том же химическом сос­ таве), поэтому их зачастую используют для создания высокопрочных сплавов.

Взять белое и серое олово. Первое довольно ус­ тойчиво, второе легко разрушается. Переход ß-формы в a-форму сопровождается увеличением объема на 26 процентов. Это явление названо «оловянной чу­ мой». Переохлаждение до температуры не ниже 13° белое олово переносит безболезненно. Но вот ртутный столбик доходит до —20, —25, —30°. Начинается процесс перестройки решетки. Белое олово становит­ ся серым. Особенно интенсивно переход ß-формы в a-форму идет при —38°. Незнание этого погубило экспедицию Р. Скотта на. Южный полюс в 1912 го­ ду, так как топливо, находившееся в сосудах, паян­ ных оловом, вылилось из них.

Полиморфизм некоторых металлов (сурьмы, кад­ мия, ртути, лития, цезия, галлия, цинка) проявля­ ется под влиянием давления.

Упрочнение кристаллической матрицы распреде­ ленной в ней вторичной фазой известно давно. Проч­ ность промышленно важных металлических сплавов зиждется именно на этой основе. Примером могут послужить стали, содержащие диспергированный це-

39