Шпаргалка: Металловедение и термическая обработка металлов

С изменением внешних условий, например температуры, свободная энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и кристаллического состояний. Схематически характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с тем­пературой показан на рис. 2

Выше температуры Т_s , меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже Т_s — вещество в твердом состоянии. Следовательно, выше T_s , вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Т_s , — в твердом, кристаллическом.

Очевидно, что при температуре, равной T_s , свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура T_s и есть равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Однако при T_s не может происходить процесс кристаллизации (плавление), так как при данной температуре F_ж = F_кр и процесс

Рис. 2. Изменение свободной энергии жидкого (1) и кристаллического (2) состояния в зависимости от температуры

Рис. 27. Кривые охлаждения при кристаллизации

кристаллизации (плавления) не может идти, так как при равенстве обеих фаз это не будет сопровождаться уменьшением свободной

энергии.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Из кривых, приведенных на рис. 2 видно, что это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаж­дена ниже точки T_s . Температура, при которой практически начи­нается кристаллизация, может быть названа фактической темпера­турой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристал­лизации называется переохлаждением.

Указанные причины обусловливают и то, что обратное превраще­ние из кристаллического состояния в жидкое может произойти только выше температуры T_s ; это явление называется перенагрева­нием.

Величиной или степенью переохлаждения называют разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристалличе­ское можно изобразить кривыми в координатах время — темпера­тура (рис. 3).

Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плав­ным понижением температуры и может быть названо простым охлаж­дением, так как при этом нет качественного изменения состояния.

При достижении температуры кристаллизации на кривой тем­пература — время появляется горизонтальная площадка (кривая 1, рис.3), так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации, т. е. после полного перехода в твердое состояние, температура снова начинает снижаться, и твердое кристаллическое вещество охлаждается. Теоретически процесс кристаллизации изображается кривой 1. Кривая 2 показывает реальный процесс | кристаллизации. Жидкость непрерывно охлаждается до температуры переохлаждения Т_п , лежащей ниже теоретической температуры кристаллизации T_s . При охлаждении ниже температуры T_s со­здаются энергетические условия, необходимые для протекания про­цесса кристаллизации.

У некоторых металлов из-за большого переохлаждения скрытая теплота плавления выделяется в первый момент кристаллизации настолько бурно, что температура скачкообразно повышается, при­ближается к теоретической (кривая 3, рис.3).

Чем больше скорость охлаждения, тем больше величина переохлаждения. Для того, чтобы полностью переохладить металл в жидком состоянии требуются большие скорости охлаждения (миллионы и даже миллиарды градусов в секунду), охлаждение жидкого металла до ком­натной температуры следует проводить так, чтобы получить перео­хлажденный жидкий металл (т. е. металл, не имеющий кристалли­ческого строения) за ничтожную долю секунды. Такой, металл назы­вается аморфным или металлическим стеклом, который начинает применяться на практике.

1.3. Какую роль играют несовершенства структуры кристаллов. Какую роль играют дислокации в вопросах прочности и пластичности материала.

Встречающиеся в природе кристаллы,как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают строгой перио­дичностью в расположении атомов т. е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения.

Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).

Точечными дефектами называются такие нарушения периодично­сти кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в на­иболее свободные места решет­ки (поры или междоузлия) ана­логично межузельным атомам (примеси, внедрения)

Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные раз­меры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации — линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации. Кра­евая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстра­плоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части крис­талла относительно другой.

В кристаллах встречаются и так называемые смешанные дислокации. Дислокации не могут обрываться внутри кри­сталла — они должны быть либо замкнутыми, либо выходить на поверхность кри­сталла. Плотность дислокации, т. е. число линий дислокации, пересекающих внутри металла площадку в 1 см² , составляет 10³ —10⁴ в наиболее совершенных монокристал­лах до 10¹² в сильно деформированных металлах Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально рас­стоянию от них. Наличие упругих напряжений вокруг дислокации приводит к их взаимодействию, которое зависит от типа дислокации и их векторов Бюргерса. Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что опреде­ляет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислока­ции в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь меж­атомных связей только у линии дислокации, поэтому пластическая де­формация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения. Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расgлава. Основным механизмом размно­жения дислокации при пластической деформации являются так называемые источ­ники Франка-Рида. Это отрезки дислокации, закрепленные на концах, которые под действием напряжений могут прогибатся ,испуская при этом дислокации,и вновь востанавливатся.

Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокации друг с другом, с атомами при­месей и частицами другой фазы. Дислокации влияют не только на прочностные и пластические свойства металлов, но также и на их физические свойства (увеличивают электросопротивление, скорость диффузии и т.д.).

Процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокации будет в металле. В металле, в котором нет дислокации, сдвиг возможен только за счет одновременного сме­щения всей части кристалла. В случае, если под действием напря­жений дислокации не зарождаются, то прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической.

Существует и другой способ упрочнения металлов. Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дисло­кации только вначале. Достигнув минимального значения при не­которой плотности дислокации, реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение реальной прочности с возра­станием плотности дислокации объясняется тем, что при этом возни­кают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислока­ции в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, и реальная

прочность металла повысится.