Строение материалов. Дефекты кристаллической структуры

Материаловедением называется комплексная наука, изучающая внутреннее строение и свойства материалов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, механических, химических, электромагнитных радиоактивных.
Цель: возможность целенаправленно выбирать материалы при проектировании технологических процессов и разработки конструкций.
Дисциплина знакомит:
с основными закономерностями образования и изменения структуры металлических и неметаллических материалов;
с методами контроля свойств и структуры материалов;
с правилами рационального выбора материалов.
Введение.

Классификация материалов.

Кристаллическое строение металлов.
Атомы, правильно расположенные в одной плоскости и соединенные воображаемыми линиями, символизирующие силы связи, образуют кристаллические плоскости.
Многократное повторение кристаллографических плоскостей в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку, минимальный объем которой называется элементарной кристаллической ячейкой.
Простейшим типом кристаллического строения является кубическая решетка, в которой атомы расположены в вершинах куба

Основные характеристики кристаллической решетки.
Период решетки - наименьшее расстояние м/д центрами двух соединенных частиц (атомов, ионов) решетки в элементарной ячейке и для металлов составляет 0,1...0,7нм.
Базис решетки - количество атомов, приходящееся на одну элементарную ячейку решетки.
Координационное число - это число ближайших равноудаленных от атома (иона) соседних атомов(ионов).
углы между осями α, β, ɣ;
периоды решетки a, b, c;
базис решетки n;
координационное число Z;

Типы кристаллических решеток.

Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами.
В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.
Понятие об изотропии и анизотропии.
Свойства отдельно взятого кристалла(монокристалла) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии.
Все кристаллы анизотропны.

Идеальным является такое строение кристаллов, при котором все атомы находятся строго в узлах кристаллической решетки.
Реальный кристалл отличается от идеального наличием различных структурных несовершенств – дефектов. которые могут быть точечными, линейными, поверхностными и объемными
Идеальная и реальная структуры.

Дефекты кристаллической решетки

Образование вакансии или межузельного атома приводит
к локальному искажению решетки кристалла.

Точечные дефекты.
Вакансия-это узел кристаллической решетки незанятый атомом или ионами.
Межузельный атом – атом, расположенный в межатомном пространстве кристаллической решетки.

Линейные дефекты(Дислокация).
Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Линейные дефекты(Дислокация).

.
Поверхностные.

Порождение и устранение дефектов кристаллических решеток

Кристаллизация чистых металлов
Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.
Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называют вторичной кристаллизацией.
Плавление – процесс обратный кристаллизации

Первичная кристаллизация.

С изменением внешних условий, например температуры, свободная энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и твердого состояний.
Рис. Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояний в зависимости от температуры
Ts - равновесная или теоретическая температура кристаллизации , при которой Fж=Fтв.
(при температуре, Ts свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии.)
Охлаждение жидкости ниже Ts называется переохлаждением.
Температура, при которой практически начинается кристаллизация, может быть названа фактической температурой кристаллизации (Тn).
Разница между Тs и Тn называется степенью переохлаждения △Т.

чем больше скорость охлаждения, тем большее переохлаждение может быть достигнуто.
площадки на кривых охлаждения объясняются выделением тепла в процессе кристаллизации, вследствие чего температура в течение некоторого промежутка времени практически постоянна.
повышение скорости охлаждения приводит к ускорению кристаллизации и к уменьшению протяженности этих площадок.
Рис. Кривые охлаждения, полученные при кристаллизации металла

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:
1. зарождение мельчайших частиц кристаллов, которые называются зародышами или центрами кристаллизации.
2. рост кристаллов из этих центров.
Модель кристаллизации металла в первые 7 секунд охлаждения :
Механизм процесса кристаллизации.
Чем больше скорость образования зародыша и их роста, тем быстрее протекает процесс кристаллизации.
Чем мельче зерно, тем выше механические свойства металла особенно характеристики прочности и пластичности.

Строение металлического слитка.
1-зона мелких кристаллов;
2-зона столбчатых кристаллов;
3-зона крупных равноосных кристаллов;
Рис. Схема строения дендрита:
1, 2 и 3 – оси соответственно первого, второго и третьего порядков

В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырьков. В местах стыка столбчатых кристаллов прочность снижается.
Степень развития столбчатых кристаллов зависит от :
• химического состава металла;
• степени перегрева;
• размера слитка;
• скорости разливки;
• формы и толщины изложницы;
• температуры стенок изложницы.
Повышение степени перегрева и увеличение скорости охлаждения слитка способствуют увеличению образования столбчатых кристаллов.
Применяя различные технологические приемы, можно изменить количественное соотношение зон или исключить из структуры слитка какую-либо зону вообще

Модифицирование - использование специально водимых в жидкий металл примесей(модификаторов) для получения мелкого зерна.
В качестве модификаторов используют
поверхностно -активные вещества:
бор в стали,
натрий в алюминии и его сплавах;
элементы, образующие тугоплавкие тонко дисперсионные частицы:
титан, цирконий в алюминии и его сплавах;
алюминий, титан в стали.
Модификаторы добавляют в сплавы в количествах от тысячных до десятых долей процента.

Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, непрерывно колеблются около положения равновесия. Некоторые из них приобретают столь большую энергию, что уходят со своего места в межузельное пространство, меняются местами со своими соседями, занимают находящиеся рядом вакансии и т. д. Такое перемещение атомов носит общее название – диффузия.
Диффузия в металлах и сплавах

Вторичной кристаллизацией называется процесс, в результате которого происходит полная замена одной кристаллической структуры на другую (аллотропическое превращение) или частичное изменение структуры (выделение новой фазы из твердого раствора при изменении его концентрации).
Вторичная кристаллизация.

Существование одного металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии.
Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными, или аллотропическими модификациями.
Превращение в твердом состоянии. Полиморфизм.

Аллотропические формы металлов.

Превращение в твердом состоянии. Полиморфизм.

Магнитные превращения.
Некоторые металлы имеют способность хорошо намагничиваться. Эти свойства называются ферромагнитными.
Интенсивность намагничивания с повышением температуры постепенно снижается, и точка Кюри соответствует окончательной потере ферромагнетизма.

Особенности магнитных превращений: