3.Строение реальных металлов

Реальное строение металлов значительно отличается от идеального. При идеальном строении кристаллов (металлов) все атомы теоретически должны находиться строго в узлах кристаллической решетки. Теоретическая прочность такого металла чрезвычайно высока. В действительности же, прочность железа примерно в 100 раз меньше — 150 МГТа. Такое несоответствие объясняется различием идеального и реального строения металлов. Во-первых, технические металлы состоят из большого количества кристаллов (зерен), т.е. являются поликристаллическими веществами. При этом кристаллы (зерна) в реальном металле не имеют правильной формы и идеально упорядоченного расположения атомов. Во-вторых, даже в самих поликристаллах имеются различного рода несовершенства (дефекты). Различают точечные, линейные и поверхностные несовершенства кристаллического строения. Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. К ним относят вакансии и междоузелъные (дислоцированные) атомы. Образование точечных дефектов связано с диффузионным перемещением атомов под действием тепловых колебаний. С повышением температуры металла число вакансий растет.

Точечные дефекты оказывают влияние на некоторые физические свойства металлов (электропроводность, магнитные свойства и т.д.) и фазовые превращения в металлах и сплавах. Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Дислокации образуются в процессе кристаллизации и главным образом при деформации металла.

5. Кристаллизация металлов. Энергетические условия процесса кристаллизации. Механизм кристаллизации металлов.

Кристаллизация металлов. Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии. Кристаллизация – переход Ме из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической решетки.

Энергетические условия процесса кристаллизации. С изменением внешних условий свободная энергия G изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Выше температуры T_s вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже T_s - в твердом. При температуре равной T_s жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура T_s (Т_пл)- равновесная или теоретическая температура кристаллизации. Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры T_s Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации (Т_к).

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения ΔТ = Т_пл - Т_к.Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени).

Кристаллизация - это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.

Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.

Механизм кристаллизации металлов: При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики - центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется.

Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш - устойчивым. Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость - кристалл. Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела.

Зародыши с размерами равными и большими критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию. Чем больше степень переохлаждения, тем меньше критический размер зародыша и больше число зародышей способно к росту. Чем меньше зерна Ме, тем лучше мех-е св-ва.