Анизотропия кристаллов и изотропия кристаллических тел

Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные ма­териалы характеризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в разных направлениях одинаковы, другими словами, аморфные материалы изотропны.

В кристаллических материалах расстояния между атомами в раз­ных кристаллографических направлениях различны. Например, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей че­рез грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элемен­тарным ячейкам: (1/4) • 4 = 1. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 + (1/4) -4 = 2. Из-за неодинаковой плотности атомов в разных направлениях кри­сталла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией.

Разница в физико-химических и механических свойствах в раз­ных направлениях может быть весьма существенной. При измере­нии в двух взаимно-перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расши­рения (ТКЛР) различаются в 3 — 4 раза, а прочности кристалла железа — более чем в 2 раза.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов, или так называемых монокристаллов. Большинство же технических литых металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поли­кристаллическое строение. Такие металлы состоят из большого числа кристаллов или зерен (рис. 2.3, а). При этом каждое отдельное зер­но анизотропно. Различная ориентация отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла явля­ются усредненными.

Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропно­стью — кажущейся независимостью свойств от направления испы­тания.

Квазиизотропность сохраняется в литом состоянии. При об­работке давлением (прокатка, ковка), особенно если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерно оди­наковую ориентировку — так называемую текстуру (рис. 2.3, б), после чего металл становится анизотропным. Свойства деформи­рованного металла вдоль и поперек направления главной дефор­мации могут существенно различаться. Анизотропия может приво­дить к дефектам металла (расслой, волнистость листа). Анизотро­пию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.

 

 

 

Рис. 2.3. Ориентация кристаллических решеток в зернах литого металла (а) и после обработки давлением (б)

 

1.5. Идеальное и реальное строение металлических материалов

 

Общие сведения. Идеальная кристаллическая решетка представ­ляет собой многократное повторение элементарных кристалличес­ких ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность рас­положения атомов в кристаллической решетке, что оказывает су­щественное влияние на свойства материала.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: то­чечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты. Такие дефекты (рис 2.4) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не пре­вышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам от­носятся свободные места в узлах кристаллической решетки — ва­кансии (рис. 2,4, а); атомы, сместившиеся из узлов кристалли­ческой решетки в межузельные промежутки, — дислоцированные атомы (рис. 2.4, б); атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки, — примес­ные атомы (рис. 2.4, в). Точечные дефекты и дислоци­рованных атомов могут располагаться обособленно или образовы­вать цепочки. Точечные дефекты образуются в процессе кристал­лизации под воздействием тепловых, механических, электричес­ких воздействий, а также при облучении нейтронами, электрона­ми, рентгеновскими лучами. Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вследствие теплового движения атомов. В харак­терных для металлов решетках энергия образования дислоциро­ванных атомов значительно больше энергии образования тепло­вых вакансий. Поэтому основными точечными дефектами в метал­лах являются тепловые вакансии.| Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии.

 

 

Рис. 2.4. Точечные дефекты в кристаллической решетке: а — вакансия; б — дислоцированный атом; в — примесный атом внедрения.

а б в

 

Косвенным доказательством образования вакансий в кристал­лической решетке может служить простой эксперимент с нагре­вом двух одинаковых образцов алюминия до температуры, на не­сколько градусов меньшей его температуры плавления. Если ох­лаждение этих образцов провести с разной скоростью, при ком­натной температуре объем быстро охлажденного (закаленного) образца будет на 0,2 % больше, чем объем медленно охлажденного (отожженного) образца. Объясняется это тем, что при температу­ре, близкой к температуре плавления, благодаря диффузии части атомов к поверхности в металле образуется большое число вакан­сий. В случае медленного охлаждения большинство атомов успева­ет вернуться в исходное положение. При быстром охлаждении эти вакансии не успевают вернуться в исходное состояние и остаются в структуре закаленного образца. Если же закаленный образец вновь нагреть и медленно охладить, разница между объемами образцов исчезнет.

Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии — пе­ремещения атомов на расстояния, превышающие средние межа­томные расстояния для данного металла. Перемещение атомов осу­ществляется путем обмена местами с вакансиями.

Линейные дефекты. Такие дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяжен­ность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных де­фектов — дислокации.

Теория дислокаций позволила объяснить природу прочности и пластичности металлов. Ее использование дало возможность объяс­нить огромную разницу между теоретической и практической проч­ностью металлов.

На рис. 2.5 приведена схема участка кристаллической решетки с одной лишней атомной полуплоскостью, т.е. краевой дислокацией. Линейная атомная полуплоскость PQQ'P' называется экстраплоско­стью, а нижний край экстраплоскости QQ' — линией дислокации. Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовывать­ся винтовые дислокации. Винтовые дислокации могут быть полу­чены частичным сдвигом атомных слоев по плоскости, который нарушает параллельность атомных слоев.

Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест - кри­сталлическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже ра­стянута. Дислокации образуются уже при кристаллизации метал­лов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины.

Рис. 2.5. Краевая дислокация

Экстраплоскость

 

 

.

Использование теории дислокаций позволило объяснить боль­шое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла.

Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относи­тельно другой оказалось на 2 — 3 порядка выше фактически затра­чиваемого при пластической деформации металла. Так, теорети­ческая прочность железа составляет примерно 13 ООО МПа, а фак­тическая — 250 МПа. Такое расхождение теоретической и факти­ческой прочности объясняется тем, что деформация происходит не вследствие одновременного смещения целых атомных плоско­стей, а вследствие постепенного перемещения дислокаций.

Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендику­лярном экстраплоскости. Чем легче перемещаются дислокации, тем ниже прочность металла, тем легче идет пластическая деформация.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных метал­лов является наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов (рис.2.8.). Левая ветвь кривой (штриховая линия) соответствует созданию совершенных бездислокационных нитевидных кристаллов (так называемых усов), прочность которых близка к теоретической. С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, требуется увеличение прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой (сплошная линия) на рис.2.8.

На практике препятствие движению дислокаций, т.е. упрочнение создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет. А пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.

 

 

 

Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: получение металлов с более близким к идеальному строением кристаллической решетки, т.е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало, либо наоборот увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.

Поверхностные дефекты. Такие дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической ре­шетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внут­ри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую простран­ственную ориентацию решеток. Блоки повернуты относительно друг друга на угол от нескольких секунд до нескольких минут, их раз­мер 10^-5 см. Фрагменты имеют угол разориентировки θ не более 5°. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен меньше 5°, такие границы называют малоугловыми границами (рис. 2.9). Все субзеренные границы (границы фрагментов и блоков) — малоуг­ловые. Строение границ зерен оказывает большое влияние на свой­ства металла.

Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5—10 атомных расстояний с наружным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого (рис. 2.10). Неупорядо­ченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

Вследствие того что границы зерен препятствуют перемеще­нию дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла.

Под размером зерна принято понимать величину его среднего диаметра, выявляемого в поперечном сечении.

Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно при измель­чении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Пос­леднее особенно важно для металлических изделий, работающих при низких температурах. Повышенная пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением мелкозер­нистого металла, отсутствием в нем крупных скоплений, струк­турных несовершенств, способствующих образованию трещин.

Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макроде­фекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметалли­ческие включения, микротрещины и т.д.., которые снижают проч­ность металла.

 

 

1.6. Кристаллизация металлов

 

Общая характеристика процесса. Еще Д.К.Черновым было ус­тановлено, что процесс кристаллизации состоит из двух элемен­тарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

При температурах, близких к температуре затвердевания, в жидком металле образуются небольшие группировки атомов, так называемые флуктуации, в которых атомы упакованы так же, как в твердых кристаллах. Из части этих флуктуации образуются заро­дыши, или центры кристаллизации. С увеличением степени пере­охлаждения возрастает число центров кристаллизации, образую­щихся в единицу времени. Вокруг образовавшихся центров крис­таллизации начинают расти кристаллы. Одновременно в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации. Увеличение об­щей массы затвердевшего металла происходит как за счет возник­новения новых центров кристаллизации, так и за счет роста суще­ствующих. Схема последовательных этапов процесса затвердевания приведена на рис.2.12

Взаимным ростом кристаллов объясняется неправильная фор­ма зерен. Реальные твердые кристаллы.неправильной формы на­зываются кристаллитами.

Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих эле­ментарных процессов и определяется скоростью зарождения (СЗ) центров кристаллизации и скоростью роста (CP) кристаллов из этих центров (рис. 2.13). Величины СЗ и CP зависят от степени переохлаждения ∆T. При равновесной температуре ∆Т= 0; СЗ = 0; CP = 0. С увеличением ∆T растет разность свободных энергий ∆F= Т_ж - F_TB, где F_M, F_TB — свободная энергия жидкого и твердого металла соответственно, и при хорошей подвижности атомов СЗ и CP увеличиваются и достигают максимума. Последующее умень­шение СЗ и CP объясняется снижением подвижности атомов при снижении температуры. При малых значениях коэффициента диф­фузии затруднена перестройка атомов жидкости в кристалличес­кую решетку твердого тела. При очень сильном переохлаждении СЗ

и CP равны нулю, жидкость не кристаллизуется, а превращает­ся в аморфное тело.

Для реальных металлов, как правило, реализуются лишь вос­ходящие ветви кривых СЗ и CP, и с ростом степени переохлаж­дения увеличиваются скорости обоих процессов.

От соотношения СЗ и CP зависит размер зерен. При малом пе­реохлаждении, например при заливке металла в земляную форму с малой теплопроводностью или подогретую металлическую фор­му, CP велика, СЗ мала. В этом случае в объеме образуется неболь­шое количество крупных кристаллов. При увеличении ∆Т в случае заливки жидкого металла в холодные металлические формы СЗ возрастает, что приводит к образованию большого количества мел­ких кристаллов.

 

СЗ; CP

То Степень переохлаждения —► Температура

Рис. 2.13. Влияние степени переох­лаждения А Г на скорость зарожде­ния (СЗ) и скорость роста (CP) кристаллов: Г0 — равновесная температура

 

 

Размер зерна определяется не только степенью переохлажде­ния. Важную роль играют температура нагрева и разливки металла, его химический состав и особенно присутствие посторонних при­месей. В реальных условиях самопроизвольное зарождение крис­таллов в жидком металле затруднено. Источником образования за­родышей служат различные твердые частицы: неметаллические включения, оксиды, продукты раскисления. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче зерна. Иногда в металл специально вводят вещества, кото­рые при кристаллизации способствуют измельчению зерна. Эту опе­рацию называют модифицированием. При введении в магниевые сплавы магнезита зерно уменьшается более чем в 10 раз: от 0,2...0,3 мм до 0,01... 0,02 мм. Для стали модификаторами являются: алюминий, ванадий, титан, для чугуна — магний.

 

1.7. Дендритная кристаллизация

 

При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода теплоты. Кристаллизация начинается от стенок формы или изложницы. В направлении отвода теплоты, т.е. перпендикулярно стенке формы, кристалл растет быстрее, чем в других направлениях. При этом образуются оси первого поряд­ка. Одновременно на их ребрах происходит зарождение и рост перпендикулярных им осей вто­рого порядка, затем третьего по­рядка и т.д. В результате образу­ется разветвленный древовид­ный кристалл, называемый ден­дритом (рис.2.14).

Так как при затвердевании имеет место так называемая из­бирательная кристаллизация, т. е. в первую очередь затвердевает более чистый металл, границы зерен более обогащены приме­сями. Неоднородность химичес­кого состава в пределах дендри­та называется дендритной ликва­цией. В большей степени, чем другие элементы, ликвации под­вержены углерод, сера, фосфор.