1.4. Форма кристаллических образований

Из жидкого состояния растут кристаллы древовидной формы, которые называются дендритами. Кристаллы растут в направлении отвода тепла по тем кристаллографическим направлениям, где атомы ближе расположены друг к другу. Сначала растут удлиненные кристаллы, которые представляют из себя оси 1 порядка (рис.1.6).

Рис. 1.6. Схема дендрита

Одновременно с главной осью под определенными углами к ней растут оси второго порядка, а от них - оси третьего порядка и т.д. Оси состоят из более тугоплавкого чистого металла, а все примеси оттесняются в межосные пространства. Сначала дендрит – монокристалл, но при последующем охлаждении, если в сплаве происходит вторичная кристаллизация (например, полиморфное превращение) или в результате внутренних напряжений внутри ветвей дендритов образовываются зерна равноосной полиэдрической формы. Если литой металл с дендритной структурой подвергнуть ковке, то дендритная структура разрушается, и сплав состоит из полиэдрических зерен.

1.5. Строение металлического слитка

Было описано впервые Д.К. Черновым (1878г.) для стали.

Любой слиток (отливка) состоит в общем случае из 3-х кристаллических зон:

1-ая зона мелких разориентированных дендритов – корка (см. рис.3.4): при соприкосновении жидкого металла со стенками формы он быстро охлаждается; при большой степени переохлаждения возникает много зародышей, металл получается мелкозернистым. Затем, вследствие усадки, эта корка отстает от формы, форма разогревается, теплоотвод замедляется, в результате кристаллы растут из меньшего числа центров в направлении отвода тепла. Получается 2-ая зона слитка – зона столбчатых кристаллов (см. рис.1.7) – дендритов.

3-ая зона – зона крупных равноосных (округлой формы) кристаллов, получается в центре слитка, где металл наиболее горячий; при малой степени переохлаждения образуются крупные разориентированные дендриты (см. рис.1.7).

В жидком металле всегда содержится какое-то количество растворенных газов, которые при охлаждении будут выделяться, образовывая газовые пузыри и раковины. В кипящей стали, например, где выделяется при охлаждении много СО или СО₂, газовые пузыри располагаются по всему объему слитка. Жидкий металл имеет меньший объем, чем твердый, поэтому в слитках (отливках) наблюдаются усадочные раковины, которые образуются в тех местах, где металл кристаллизуется в последнюю очередь (в утолщенных местах отливки или в центре). Около усадочной раковины сосредоточены примеси, понижающие температуру плавления, т.е. наблюдается зональная ликвация (неоднородность). В стали, например, ликвируют сера и фосфор – вредные примеси. Для устранения усадочной раковины в теле слитка делают утолщенные или утепленные надставки – прибыли, где металл кристаллизуется в последнюю очередь, подпитывает слиток при усадке, а усадочная раковина перемещается в прибыль. Затем прибыль отрезают. На рис.3.4 представлена схема строения стального слитка для спокойной стали.

Рис. 1.7 Схема стального слитка.

1.6. Пластическая деформация и рекристаллизация

1.6.1 Упругая и пластическая деформация металлов

Деформация – изменение формы и размеров тела под воздействием внешних сил. Деформация может быть упругой и пластической. Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки, а пластическая приводит к необратимому изменению формы. При упругой деформации атомы под действием внешней силы смещаются на расстояния, меньшие, чем межатомные (см. рис.1.8). После снятия нагрузки атомы возвращаются в свои исходные положения.

Рис.1.8 Схема изменения кристаллической решетки при упругой

деформации

а) Изменение решетки под действием растягивающих сил.

б) Решетка после снятия внешних сил.

При пластической деформации слои атомов смещаются друг относительно друга под действием касательных напряжений. Сначала возникают упругие напряжения, затем при нарастании силы происходит пластический сдвиг по одной или многим плоскостям скольжения. После снятия внешних сил упругие напряжения снимаются, если нет к этому препятствий. Схема пластического сдвига в совершенном монокристалле показана на рис. 1.9:

Рис. 1.9 Схема этапов пластического сдвига в монокристалле.

а) Упругая деформация решетки

б)Упругая и пластическая деформация решетки.

в) Пластическая (остаточная) деформация решетки.

Деформация может еще осуществляться двойникованием (см. рис.1.9), но основным механизмом пластической деформации является скольжение.

Следует отметить, что не по всем плоскостям возможно скольжение (проявление анизотропии кристаллов). Сдвиг в первую очередь идет по плоскостям с наиболее плотной упаковкой атомов (плоскости легкого скольжения). Расстояние между такими плоскостями наибольшее, а сами они как бы гладкие (атомы при сдвиге сразу попадают в поле действия соседнего атома) – см. рис.1.10.

Рис.1.10 Кристаллическая решетка с указанием различных систем скольжения

Чем больше в кристаллической решетке плоскостей легкого скольжения, тем пластичнее металл. Особенно пластичны металлы с ГЦК – решетками (Al, Cu, Ni, Ag и т.д.), затем с ОЦК - решетками (Fe , Mo, V, Ti и т.д.), а металлы с гексагональной решеткой менее пластичны (Mg, Zn, Be и др.) и труднее поддаются штамповке, прокатке и др. видам обработки давлением.

Наличие в кристаллах дислокаций сильно (в несколько десятков и даже сотен раз) облегчает сдвиг одной части кристалла относительно другой, т.к. дислокация под действием внешних сил начинает перемещаться и, выходя на поверхность, дает пластический сдвиг (см. рис.1.11). Подвижность дислокаций объясняется тем, что атомы вокруг дислокации выведены из устойчивого (равновесного) состояния и под действием приложенной силы легко перемещаются в соседнее положение.

Рис. 1.11 Схема пластического сдвига в кристаллической решетке с участием краевой дислокации.

Все препятствия перемещению дислокаций приводят к упрочнению. В процессе сдвига в плоскости скольжения возникает много новых дислокаций и других дефектов кристаллического строения. Повышенная плотность дислокаций приводит к затруднению их перемещения вследствие упругого взаимодействия между ними. Препятствиями на пути перемещения дислокаций являются также частицы других фаз, границы блоков, зерен. Теория упрочнения сплавов основывается на теории дислокаций.