1.3. Дефекты кристаллического строения металлов.

Реальная структура металлов и сплавов имеет ряд несовершенств или дефектов, которые подразделяются на три группы:

• Точечные (вакансии или дырки, дислоцированные атомы);

• Линейные (краевые и винтовые дислокации);

• Поверхностные (границы зерен и блоков).

Значительное влияние на механические свойства оказывает плотность дислокаций, определяемая по формуле ; где- суммарная длина дислокаций в см, приходящаяся на объем металлаV, см³.

Рис.6.	Влияние плотности дислокаций на прочность: 1-нитевидные кристаллы; 2-техническое железо;3-легированная сталь после ТМО.

При плотности дислокаций ρ<10⁴см^-2 прочность металла приближается к теоретической; такую прочность имеют так называемые нитевидные кристаллы, получаемые кристаллизацией из газовой фазы. При увеличении плотности дислокаций до ρ=10⁸см^-2 прочность металла минимальна и примерно в 50-100 раз меньше теоретической. При этой плотности дислокации весьма подвижны, что и обуславливает низкую прочность металла.

Любое упрочнение металлов и сплавов заключается в блокировке дислокаций и уменьшении их подвижности. При плотности дислокаций ρ=10¹²см^-2 их подвижность резко ограничивается и прочность металла возрастает. Увеличение плотности дислокаций достигается путем термической или термомеханической обработки (ТМО), путем легирования или поверхностно-пластической деформацией (ППД).

Границы зерен считаются дефектами из-за нарушения правильности кристаллического строения на этих границах, которая возникает из-за различной ориентации зерен при кристаллизации. Кроме того, по границам зерен скапливаются дислокации и примеси, в первую очередь фосфор. Каждое зерно не является монолитным и состоит из блоков или субзерен. По границам блоков упорядоченность расположения атомов также нарушена, но в меньшей степени по сравнению с границами зерен.

Вместе с тем границы зерен и блоков затрудняют перемещение дислокаций, ограничивают их подвижность, а также тормозят распространение трещин. Это проявляется сильнее у мелкозернистыхметалловс большим количествоммежзеренных границ. В результате возрастают прочность и вязкость металла, снижается опасность хрупкого разрушения. Вдоль границ зерен и блоков происходит диффузия (перемещение элементарных частиц), скорость которой возрастает при нагреве металла. Диффузия является важнейшим этапом химико-термической обработки, при которой происходит насыщение поверхностного слоя деталей атомами металлов или неметаллов.

1.4. Закономерности кристаллизации металлов и сплавов.

Структура сплавов образуется в результате фазовых превращений и взаимодействия компонентов, входящих в состав сплава. Фаза – состояние вещества, в данном случае металла или сплава. Фазовое превращение – переход вещества из одного состояния в другое при изменении внешних условий, в первую очередь температуры. В металлах и металлических сплавах происходят следующие фазовые превращения:

1. Превращение жидкости в твердое тело при охлаждении (первичная кристаллизация). Первичная кристаллизация чистых металлов происходит при постоянной температуре, а сплавов – в интервале температур;

2. Изменение структуры в твердом состоянии, как при нагреве, так и при охлаждении (перекристаллизация, вторичная кристаллизация);

3. Превращение твердого тела в жидкость при нагреве (плавление).

Сущность первичной кристаллизации заключается в образовании атомно-кристаллической структуры сплава. При вторичной кристаллизации происходит ее перестройка, а при плавлении – ее разрушение. Эти процессы имеют одинаковый механизм – диффузионный. Диффузия – тепловое движение элементарных частиц в жидкости или твердом теле на расстояния большие, чем период решетки.

Если представить металлы или сплавы, как некие системы, то общей закономерностью указанных превращений будет стремление каждой системы к термодинамическому равновесию, характеризуемому минимальным запасом свободной энергии G (рис.7).

Рис.7. Влияние температуры на свободную энергию системы и характер фазовых превращений. Ж - жидкость; Т – твердая фаза;tP– температура равновесия;tK–температура кристаллизации; Δt– степень переохлаждения, Δt=tp-tк.

Если t=t_p, то G_T=G_ж, процессы кристаллизации и плавления идут параллельно и не один из них не преобладает. Если t=t_к, то G_T<G_ж и процесс кристаллизации становится преобладающим. Приt>t_pпреобладающим становится процесс плавления, так как G_ж <G_T.

Основными параметрами процесса кристаллизации являются число центров кристаллизации (ЧЦК) и скорость роста кристаллов (СРК). Значительное влияние на эти параметры оказывает степень переохлаждения Δt (рис.8).

Рис.8.	Влияние степени переохлаждения Δtна параметры кристаллизации; Δt1 <Δt2 <Δt3.

При температуре равновесия t_pпараметры Ч.Ц.К. и С.Р.К. равны нулю и кристаллизация не идет. При увеличении степени переохлаждения параметрыЧ.Ц.К. и С.Р.К. возрастают; чем больше их значения, тем быстрее идет кристаллизация и меньше размеры кристаллов. В основе этого процесса диффузия атомов в жидком металле. При Δt<Δt₃ диффузия подавляется, параметры кристаллизации стремятся к нулю, и образуется не кристаллическая, а аморфная структура. Однако на практике реализуются степени переохлаждения, при которых образуется кристаллическая структура металла (ΔtΔt₃).

В технических металлах и сплавах всегда есть примеси. Поэтому на значения ЧЦК и СРК в этих материалах влияет как Δt, так и наличие тугоплавких частиц примесей , имеющихся в них, и являющихся дополнительными центрами кристаллизации. Наибольшее измельчение структуры сплава достигается при модифицировании. Это введение в жидкий металл перед заливкой небольшого количества специальных добавок - модификаторов. Они практически не влияют на химический состав сплава, но образуют многочисленные тугоплавкие частицы, которые становятся готовыми центрами кристаллизации. Стали модифицируют алюминием, ванадием, титаном. Модифицирование обеспечивает однородное мелкозернистое строение сплава и при малых значениях Δt, что особенно важно для отливок больших сечений.

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму и размеры в зависимости от условий охлаждения, количества примесей и наличия модификаторов. В технических металлах и сплавах при кристаллизации чаще образуются древовидные кристаллы, получившие название дендритов (рис.9).

Рис.9.	Схема дендрита. 1,2,3 – оси соответственно первого, второго и третьего порядков

Рост дендритов при кристаллизации продолжается до тех пор, пока они не соприкоснутся друг с другом. Затем затвердевает металл в межосевом пространстве, и дендриты превращаются в кристаллы неправильной формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами, они могут иметь вытянутую или глобулярную форму.

В процессе кристаллизации примеси, как правило, оттесняются в жидкую часть кристаллов и слитка в целом. Это приводит к их неравномерному распределению, как в пределах каждого кристалла, так и в различных зонах слитка. Такое явление называют ликвацией, соответственно дендритной и зональной.