Кристаллизация металлов и сплавов. Лекция №2

химические соединения), между которыми или частями которых обеспечена возможность обмена энергией, а также процессов диффузии.
новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.
свободная энергия - термодинамическая функция (F) F= U – TS,
где U – внутренняя энергия системы; Т - абсолютная температура; S - энтропия

,

Температура Т,

свободная энергия F, Дж

К

- температура Ts - равновесная или теоретическая температура кристаллизации

- температура, при которой практически начинается кристаллизация - фактическая температура кристаллизации

-степень переохлаждения называют разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации:
T = Ts - Tф.

∆T2

∆T
Т, К
Время t, c

центры кристаллизации)
- рост кристаллов из этих центров
Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером зародыша.

Форма кристаллов и строение слитков
Реально протекающий процесс кристаллизации усложняется действием различных факторов:
скорости и направления отвода тепла;
наличия нерастворившихся частиц (центров кристаллизации);
конвекционных токов жидкости.

из дезориентированных мелких кристаллов – дендритов.
Вторая зона – зона столбчатых кристаллов II.
Третья зона слитка – зона равноосных кристаллов III.

Схемы макроструктур слитков:
а – столбчатые кристаллы; б – равноосные кристаллы

Транскристаллическая структура (слитки очень чистых металлов. Зона столбчатых кристаллов характеризуется

Для измельчения структуры металлов и сплавов широко применяют технологическую операцию, называемую модифицированием

Неоднородность сплава по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям, образующаяся при кристаллизации слитка, называется ликвацией.

Залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объѐме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами.

протяженные в третьем;
- поверхностные – малые в одном измерении.

Точеные дефекты :вакансий, дислоцированные атомы и примеси

вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей
Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые . Неполная плоскость называется экстраплоскостью
Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край ―лишней полуплоскости

Винтовая дислокация

Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости вокруг линии ВС

среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м3

(см-2; м-2)

С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла, увеличивается средняя скорость диффузии в кристалле, ускоряется старение и другие процессы, уменьшается химическая стойкость.

Поверхностные (двумерные) дефекты - нарушения кристаллического строения, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и

протяженностью лишь в несколько межатомных расстояний в третьем измерении. К поверхностным дефектам относят границы зерен, фрагментов, блоков

десятков градусов

Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов

Участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов -

Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией

фрагменты

Каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее
разориентированных на угол менее одного градуса -

10 мкм,

блочная или мозаичная структура

механизмом пластической деформации является движение дислокаций (dislocatio – смещение, перемещение)
Осуществляется пластическая деформация скольжением и двойникованием

перемещением по полу ковра, на котором специально сделана складка

Пластичность металлов (возможность сдвига) обусловлена наличием в них дислокаций и зависит от подвижности дислокаций
- В пластичных металлах дислокации легко подвижны - --- - Затруднение движения дислокаций любыми методами приводит к упрочнению (границы зерен и субзерен, упругие искажения кристаллической решетки, дисперсные включения ,другие дислокации)

Это наиболее характерный вид деформации при обработке давлением

части. Плоскостью симметрии является плоскость двойникования

Двойникование чаще возникает при пластической деформации кристаллов:
с объемно-центрированной и гексагональной решеткой,
с повышением скорости деформации
с понижением температуры склонность к двойникованию возрастает.

- может возникать не только в результате действия внешних сил, но и в результате отжига пластически деформированного тела.

Деформация начинается в зернах, плоскости скольжения которых составляют угол 45о с направлением усилия

В результате смещения кристаллографических плоскостей происходит увеличение плотности дислокаций, которые приводят к упрочнению металла или сплава. Деформационное упрочнение кристаллических тел называется наклепом (нагартовкой).

количества дислокаций, участвующих в процессе пластической
деформации,
- от характера движения дислокаций

Упрочнение при пластической деформации обусловлено:
-образованием малоподвижных порогов и барьеров при пересечении дислокаций,
увеличением плотности дислокаций,
измельчением зерна.

Наклепом называется упрочнение металлов, происходящее в результате пластической деформации при процессах холодной обработки давлением (холодная прокатка, штамповка, протяжка, волочение).

формы зерен в направлении главной деформации; в - текстура

Деформация начинается в зернах, плоскости скольжения которых составляют угол 45о с направлением усилия

анизотропии свойств металла.

С ростом степени деформации возрастают удельное электрическое сопротивление, понижаются плотность, магнитная проницаемость и остаточная индукция. Из-за неоднородности деформации в объеме металла различны изменения плотности, что служит причиной появления остаточных напряжений – как растягивающих, так и сжимающих.
Наклепанные металлы легче корродируют и склонны к коррозионному растрескиванию.

структурой, –более прогрессивный.
получают кристаллы небольших размеров (длиной 2–10 мм и толщиной 0,5–2,0 мкм), так называемые «усы», практически без дислокаций, с прочностью близкой к теоретической. Такие кристаллы нашли свое применение для армирования волокнистых композиционных материалов, в микроэлектронике и т. д.

2. наклеп
Методы упрочняющего воздействия можно разделить на поверхностные (обкатка роликами, дробеструйная обработка) и сквозные (прокатка листов, волочение проволоки). Обра- ботка металлов резанием также приводит к наклепу и изменению структуры в тонком поверхностном слое, что необходимо учитывать при последующей эксплуатации изделий.

Для снятия наклепа и возвращения металлу способности деформироваться применяют рекристаллизационный отжиг,

- Температуру начала рекристаллизации, при которой протекает разупрочнение холоднодеформированного ме- талла и восстановление его пластичности называют температурным порогом рекристаллизации ТПР

постоянной физической величиной
она зависит:
- от длительности нагрева
степени предварительной деформации,
величины зерна до деформации и т. д.
Температурный порог рекристаллизации снижается:
с повышением степени деформации,
с увеличении длительности нагрева
с уменьшении величины зерна до деформации

ТПР
- для технически чистых металлов составляет примерно 0,4ТПЛ,
-для чистых металлов снижается до (0,1–0,2)ТПЛ
- для сплавов возрастает до (0,5-0,6)ТПЛ.