Организационно-правовые формы автотранспортных предприятий

 

Рис. 1.3. Схема точечных дефектов в кристалле: 1 - примесный  атом замещения; 2 - дефект Шоттки: 3 - примесный атом внедрения; 4 - дивакансия; 5 - дефект Френкеля (вакансия  и межузельный атом); 5 - примесный атом замещения

 

При переходе атома из равновесного положения (узла) в междоузлие возникает пара вакансия - межузельный атом, которая называется дефектом Френкеля, а если атом из своего узла выходит на поверхность кристалла, то образующийся дефект называется дефектом Шоттки. Точечные дефекты являются центрами локальных искажений в кристаллической решетке. Однако заметные смещения атомов, окружающих вакансию или межузельный атом, создаются только на расстояниях нескольких атомных диаметров от центра дефекта, и поля упругих напряжении являются близкодействующими, т.е. быстро убывают (с увеличением расстояния) от дефекта. Точечные дефекты, хотя и требуют определенной затраты энергии для образования, являются термодинамически равновесными, т.е. всегда присутствуют в кристалле. Вакансии могут объединяться, образуя пары-бивакансии и даже скопления вакансий. Перемещения вакансий по кристаллу, которое можно рассматривать и как встречное движение атомов играют важную роль в ряде процессов в сплавах (диффузия, ползучесть и т. д.).

Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигат размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации - линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации (рис. 1.4). Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой.

Если в идеальной  решетке провести контур (контур Бюргерса) вокруг любого, произвольного места, т.е. отложить определенное число параметров решетки вокруг этого места, то контур Бюргерса сомкнется. Как видно из рис.1.4 в реальной решетке, содержащей дислокации, контур Бюргерса не сомкнется, т.е. число параметров решетки по разные стороны дислокации будет отличаться на величину b которая называется вектором Бюргерса. Для краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен линии дислокации, а для винтовой параллелен.

 

Рис. 1.4. Краевая (а) и винтовая (б) дислокации в кристаллической решетке

 

Дислокации не могут  обрываться внутри кристалла - они должны быть либо замкнутыми, либо выходить на поверхность кристалла. Плотность дислокаций, т.е. число линий дислокаций, пересекающих внутри металла площадку в 1 см³, составляет 10³-10⁴ в наиболее совершенных монокристаллах до 10¹² в сильно деформированных металлах.

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 (рис. 1.5), поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации.

 

Рис. 1.5. Схема сдвиговой деформации, осуществляемой скольжением краевой дислокации

 

Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в нескольких межатомных расстояниях в третьем измерении. К ним относятся границы зерен и внешние поверхности кристалла.

Исследования строения металлов показали, что зерна в  поликристаллах не являются монолитными, совершенными монокристаллами, а состоят  из отдельных, так называемых субзерен (блоков), повернутых одно относительно другого на малый угол. Границы субзерен и зерен в металлах принято разделять на малоугловые (угол разориентировки менее 5°) и большеугловые (более 5°). Малоугловые границы наблюдаются, как правило, между субзернами и имеют дислокационное строение.

К объемным (трехмерным) дефектам относятся такие, которые имеют размеры в трех измерениях: макроскопические трещины, поры и т.д.

 

1.6. Анизотропия свойств кристаллов

 

Рассматривая различные  плоскости, например в о.ц.к. решетке, можно легко заключить, что они заполнены атомами с различной плотностью.

Свойства отдельно взятого  кристалла (монокристалла) по данному  направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропны.

Реальный металл состоит  из многих кристаллов; размер каждого  кристалла измеряется долями миллиметра, и поэтому в 1 см³ металла содержатся десятки тысяч кристаллов. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается примерно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате получается, что свойства такого поликристаллического тела одинаковы во всех направлениях, хотя свойства каждого кристалла, составляющего это тело, зависят от направления. Это явление называется квазиизотропией (ложная изотропия).

2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

 

2.1. Три состояния вещества

 

Любое вещество, как известно, может находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. В чистых металлах при определенных температурах происходит изменение агрегатного состояния: твердое состояние сменяется жидким при температуре плавления, жидкое состояние переходит в газообразное при температуре кипения.

Температура плавления - особенно важная константа свойств  металла. Она колеблется для различных металлов в весьма широких пределах - от минус 38,9 °С для ртути - самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3410°С для самого тугоплавкого металла - вольфрама.

Низкая прочность (твердость) при комнатной температуре легкоплавких металлов (олова, свинца и т. д.) является следствием главным образом того, что комнатная температура для этих металлов менее «удалена» от температуры плавления, чем у тугоплавких металлов ¹.

 

 

2.2. Энергетические условия процесса кристаллизации

 

При переходе из жидкого  состояния в твердое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией.

В природе все самопроизвольно  протекающие превращения, а следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

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.2.1.

Выше температуры T_s меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже T_s - вещество в твердом состоянии. Следовательно, выше T_s, вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже T_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 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.2.2. 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.

 

Рис.2.1. Изменение свободной энергии жидкого (1) и кристаллического (2) состояние в зависимости от температуры	Рис.2.2. Кривые охлаждения при кристаллизации

 

Указанные причины обусловливают  и то, что обратное превращение  из кристаллического состояния в  жидкое может произойти только выше температуры Т_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.2.2.).

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, 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.

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

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.

 

2.3. Механизм процесса кристаллизации

 

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые называют зародышами, или центрами кристаллизации. Второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров.

Процесс образования  кристаллов путем зарождения центров  кристаллизации и их роста можно изучать с помощью рассмотрения моделей. Подобная модель кристаллизации представлена на рис. 2.3.

Предположим, что на площади, изображенной на рис.2.3. за секунду возникает пять зародышей, которые растут с определенной скоростью. К концу первой секунды образовалось пять зародышей, к концу второй секунды они выросли и одновременно с этим возникло еще пять новых зародышей будущих кристаллов. Так, в результате возникновения зародышей и их роста происходит процесс кристаллизации, который, как видно в данном примере, заканчивается на седьмой секунде.

 

Рис.2.3. Модель процесса кристаллизации

 

Рассмотрение подобной схемы кристаллизации позволяет объяснить два важных момента:

1. По мере развития  процесса кристаллизации в нем  участвует все большее и большее число кристаллов. Поэтому процесс вначале ускоряется, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кристаллов не начинает заметно препятствовать их росту; рост кристаллов замедляется, тем более, что и жидкости, в которой образуются новые кристаллы, становится все меньше.

2. В процессе кристаллизации, пока кристалл окружен жидкостью,  он часто имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается, внешняя форма кристалла оказывается зависимой от условий соприкосновения растущих кристаллов. Вот почему кристаллы металла, зерна (кристаллиты) не имеют правильной формы.

Скорость всего процесса кристаллизации количественно определяется двумя величинами: скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов. Обе эти величины можно измерить для разных условий кристаллизации.

 

Рис. 2.4. Скорость роста  кристаллов (с.к.) и скорость зарождения центров кристаллизации (ч. ц.) в зависимости от степени переохлаждения

 

Графически изменения  величин ч.ц. и с.к. в зависимости  от переохлаждения представлены на рис.2.4. Зависимость ч.ц. и с.к. от переохлаждения выражается кривой с максимумом. При теоретической температуре кристаллизации (n = 0) значения с.к. и ч.ц. равны нулю и процесс кристаллизации идти не может, что находится в полном соответствии с изложенным выше положением о необходимости переохлаждения для протекания процесса. С увеличением переохлаждения значения с.к. и ч.ц. возрастают, достигают максимума и затем понижаются; при больших величинах переохлаждения практически падают до нуля.

Увеличение с.к. и ч.ц. при малых степенях переохлаждения обусловлено тем, что вблизи равновесной точки (Т_s) подвижность атомов велика и ускорение кристаллизации с увеличением степени переохлаждения вызывается увеличением разности свободных энергий жидкого и кристаллического состояний. Снижение с.к. и ч.ц. при больших степенях переохлаждения вызвано тем, что при больших переохлаждениях и, следовательно, при низких температурах подвижность атомов уменьшена, а тем самым уменьшена и способность системы к превращению. При больших степенях переохлаждения с.к. и ч.ц. становятся равными нулю, так как подвижность атомов уже недостаточна для того, чтобы осуществилась перекройка их из хаотического расположения в жидкости в правильное в кристалле.