1.2. Дефекты кристаллического строения металлов

В отличие от идеальных кристаллов реальные металлы содержат дефекты, которые делят на точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Точечные дефекты (нульмерные) по размерам сравнимы с межатомными расстояниями. К ним относятся вакансии (свободные от атомов узлы кристаллической решетки являются вакантными), межузельные или дислоцированные атомы (атом находится в межузельном пространстве кристаллической решетки) и примесные атомы. Среди них различают атомы замещения и внедрения (рис. 1.2).

Линейные дефекты (одномерные) имеют измерение в одном направлении на многие тысячи периодов кристаллической решетки, а в двух других направлениях по размерам сравнимы с межатомными расстояниями. Важнейшими видами линейных несовершенств являются краевые (линейные) и винтовые дислокации.

а) б) в) г)

Рис. 1.2. Дефекты кристаллического строения: а – вакансия; б ‑ межузельный (внедренный) атом; в ‑ замещенный атом; г ‑ краевая дислокация

Образование краевых дислокаций вызвано присутствием в кристаллической решетке неполных кристаллографических плоскостей. Такие полуплоскости, не имеющие продолжения в нижней или верхней частях кристаллической решетки, называются экстраплоскостями. Краевая дислокация представляет собой область упругих искажений, проходящих вдоль края экстраплоскости. Различают положительные и отрицательные дислокации. Положительные дислокации возникают в верхней части кристалла и их обозначают знаком _┴, отрицательные ­ в нижней и их обозначают знаком ^┬.

Поверхностные дефекты (двумерные) имеют измерения в двух направлениях. Они представляют собой упругие искажения кристаллической решетки по границам зерен или их фрагментов (блоков мозаичной структуры). Различают большеугловые и малоугловые границы.

Большеугловые границы представляют собой области в несколько периодов кристаллической решетки, на протяжении которых решетка одной кристаллографической ориентации переходит в решетку другой ориентации. Такое строение имеют межзеренные границы.

2. Теория сплавов

2.1. Кристаллизация металлов

Кристаллизация ─ это переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое). С точки зрения термодинамики процесс кристаллизация протекает при условиях, обеспечивающих снижение запаса свободной энергии системы (энергии Гиббса).

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов ─ зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов. Скорость каждого из этих процессов зависит от степени переохлаждения n жидкости относительно равновесной температуры, т.е. температуры, при которой энергии Гиббса жидкого и кристаллического состояния равны. При небольших значениях n образуются крупнозернистые структуры. С увеличением переохлаждения структуры измельчаются (ч. ц. возрастает быстрее, чем с. к.).

От степени переохлаждения зависит критический размер зародыша, т.е. такой минимальный размер, при котором рост зародыша сопровождается снижением энергии Гиббса системы. Зародыши мельче критического к росту не способны и растворяются в жидкости. Чем больше степень переохлаждения жидкости, тем меньше критическая величина зародыша.

При кристаллизации кристаллы, окруженные со всех сторон жидкостью, имеют более или менее правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов форма нарушается, становится неправильной, так как рост граней на участках соприкосновения прекращается. Такие искаженные кристаллы называют кристаллитами или зернами. Таким образом, форма и размер образовавшихся в результате кристаллизации зерен определяются условиями столкновения растущих кристаллов.

В реальных условиях форма и размер кристаллов, помимо условий столкновения, зависят от направления и скорости отвода теплоты, температуры жидкого металла, вида и количества примесей (при росте кристаллов на частицах примесей, играющих роль готовых центров кристаллизации, образование зародышей называют гетерогенным в отличие от гомогенного ─ самопроизвольного образования). Нередко при кристаллизации возникают разветвленные древовидные кристаллы, называемые дендритами.