Дефекты кристаллической решетки

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое при остывании называется первичной кристаллизацией (формирование кристаллической решетки). Кристаллизация начинается с образования множества зародышей или центров кристаллизации. Вокруг этих центров формируются кристаллы, произвольно ориентированные в пространстве. По мере роста кристаллов они контактируют друг с другом с образованием границ искаженной формы. Такие кристаллы называются зернами. На границах зерен образуются незавершенные решетки, то есть образуется слой, свойства и химический состав которого может отличаться от свойств зерна.

Механические и физические свойства сплавов во многом зависят от размеров зерен, величина которых определяется скоростью образования центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов. Чем меньше скорость образования центров кристаллизации и выше скорость кристаллизации, тем размер зерна больше. Такая структура сплава называется крупнозернистой. И наоборот, когда скорость образования зародышей выше скорости кристаллизации, образуется мелкозернистая структура сплава.

На границах зерен, как и в самом кристалле появляются дефекты кристаллической решетки, выражающиеся в отсутствии атомов в узлах, и которые делятся по геометрическому признаку:

- точечные (отсутствие одного, двух атомов); к точечным дефектам относятся вакансии (отсутствие атома в узле, появившееся в процессе нагрева или деформации);

- линейные дефекты, имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении; основной разновидностью линейных дефектов являются дислокации, возникающие при деформации сдвига;

- поверхностные – это дефекты, имеющие малые размеры только в одном измерении; такие дефекты возникают на границах зерен в процессе кристаллизации.

Полиморфные превращения

У некоторых металлов кристаллическая решетка может быть различной в зависимости от температуры. Это явление называется полиморфизмом или аллотропией. При нагревании металлов поглощаемая теплота превращается в колебательное движение атомов, что приводит к изменению энергии их взаимодействия. Это иногда и приводит к изменению атомно-кристаллической решетки металла в его твердом состоянии.

Полиморфное превращение по своему механизму кристаллизационный процесс, протекающий аналогично первичной кристаллизации. На границах зерен образуются новые центры кристаллизации вокруг которых формируется другая кристаллическая решетка. Этот процесс называется перекристаллизацией. В результате перекристаллизации скачкообразно меняются свойства сплавов, например плотность Fe_γ на 3% больше плотности Fe_α.

Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре для большинства металлов принято обозначать буквой α, при более высокой β, затем γ ит.д.

(Fe_α ↔ Fe_γ; Ti_α ↔ Ti_β; Mn_α ↔ Mn_β ↔ Mn_γ ↔ Mn_δ).

Металлические сплавы

Сплав – это вещество, получаемое сплавлением двух или более элементов. В технике находят применение сплавы металлов с металлами и неметаллами. Сплавление – наиболее распространенный способ получения сплава. Существует спекание, электролиз, возгонка (смешивание в испаренном состоянии). Структура и свойства сплавов определяются взаимодействием атомов элементов. При кристаллизации сплавы образуют внутреннюю структуру следующих видов.

А) Механическая смесь.

Механическая смесь образуется, если атомы двух компонентов образуют отдельные кристаллические решетки, отчетливо видные в микроскоп. Такие кристаллы могут значительно отличаться друг от друга по свойствам. Такие сплавы, как правило, плохо поддаются обработке давлением. К таким сплавам относятся: Fe + 4,3%С, Al + 33%Cu, Al + (11-13)%Si.

Б) Химическое соединение.

Элементы, имеющие различные решетки могут при кристаллизации образовывать новые решетки, отличающиеся от решеток компонентов. Атомы одного элемента по количеству точно соответствуют количеству атомов другого элемента. При этом атомы упорядоченно расположены и образуют одну общую кристаллическую решетку, отличающуюся от кристаллических решеток компонентов. Общая формула сплава: A_x B_y C_x .Чем сложнее формула, тем сложнее и кристаллическая решетка. Cu Al₂ ; Fe₃ C.

Свойства сплава резко отличаются от свойств компонентов. Например, твердость Fe по шкале Бринелля НВ 80, твердость С составляет НВ 3, твердость сплава Fe₃ C по той же шкале НВ 800.

В) Твердые растворы.

В жидком состоянии атомы элементов, входящих в сплав, равномерно перемешаны друг с другом и представляют жидкий раствор. При кристаллизации в процессе охлаждения один из компонентов сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в решетке первого компонента, который называется растворителем. Такая твердая фаза называется твердым раствором.

Различают твердые растворы замещения, когда атомы растворенного элемента занимают часть мест атомов растворителя и твердые растворы внедрения, когда атомы растворенного элемента внедряются в кристаллическую решетку растворителя и располагаются в междоузлиях.

В твердом растворе внедрения количество атомов растворенного элемента в кристаллической решетке растворителя без ее разрушения ограничено, то есть растворимость одного компонента в другом ограничена.

У твердых растворов замещения растворимость может быть как ограниченной, так и неограниченной. При неограниченной растворимости любое количество атомов растворителя (металл А) может быть замещено атомами растворяемого компонента (металл В). В итоге вместо металла А получаем металл В. Неограниченная растворимость наблюдается у металлов, имеющих одинаковую кристаллическую решетку и близкие по размерам атомы.

Все железоуглеродистые сплавы (сплавы железе с углеродом) представляют собой твердые растворы внедрения углерода в железе. При содержании углерода в сплаве менее 2% сплав называется сталью, а при содержании углерода более 2% сплав называется чугуном.

Встречаются твердые растворы, в которых в качестве растворителя выступает не чистый металл, а химическое соединение. В таких растворах атомы растворенного компонента либо внедряются в решетку растворителя, либо замещают часть атомов растворителя в узлах. Например, в бориде железа Fe₄ В₂ растворяются Cr и С, причем хром заменяет в узлах решетки железо, а углерод заменяет бор.