1.2 Дефекты в кристаллах

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Точечные дефекты – вакансии, межузловые атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис.5а).

Рис.5. Дефекты в кристаллах: а – вакансия; б – внедренный атом; в – краевая линейная дислокация; г – неправильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2.

Вакансии и межузловые атомы появляются в металлах всегда из-за тепловых колебаний. Количество их зависит от температуры, вакансии искажают кристаллическую решетку, влияют на физические свойства металлов.

К точечным дефектам относят также атом, внедренный в межуздоузлие кристаллической решетки (рис.5, б), и замещенный атомом, когда место атома одного металла замещается в кристаллической решетке другим, чужеродным атомом. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки.

Линейные дефекты - являются другим важнейшим видом несовершенства кристаллической решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лишняя атомная плоскость (экстра-плоскость). Край экстра-плоскости, перпендикулярный направленный сдвиг, называется краевой или линейной дислокацией (рис.5, в), длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстоянии. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний.

Кристаллическая решетка в зоне дислокации упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состояния. Для дислокаций характерна их легкая подвижность. Это объясняется тем, что атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокация образуется в процессе кристаллизации металлов, а также при пластической деформации, термической обработке и других процессах.

Поверхностные дефекты – представляет собой границы раздела между отдельными кристаллами (рис.2,г). На границе раздела атомы расположены менее правильно, чем в его объёме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что ещё больше нарушает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированны, т.е. могут быть повернуты относительно друг друга на десятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации дефектов. Дефекты в кристаллах существенно влияют на свойства металлов.

2. Кристаллизация

Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией.

Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени.

Теоретический, т.е. идеальный, про­цесс кристаллизации металла без переохлаждения протекает при определенной для данного металла темпе­ратуре. При достижении идеальной температуры затвердева­ния падение температуры прекращается. Это объясняется тем, что пе­регруппировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выделяется скрытая теплота кристаллизации). Каж­дый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуаль­ной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла тем­пература его снова понижается.

Практически кристаллизация протекает при более низкой температу­ре. Степень переохлаждения зависит от при­роды и чистоты металла и скорости охлаждения. Чем чище жидкий ме­талл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скоро­сти охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла ста­новятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных усло­виях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий:

- зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллиза­ции);

- роста кристаллов из этих цент­ров.

Рис.6. Последовательные этапы кристаллизации металла

При переохлаждении сплава ниже температуры кристаллизации на многих участках жидкого ме­талла (рис. 4, а, б) образуются способ­ные к росту кристаллические зароды­ши. Сначала образовавшиеся крис­таллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометричес­кую форму (рис. 4, в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост кристалла про­должается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидко­го металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически пра­вильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 4, е).

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зер­но металла.

Величина зерен, образующихся при кристаллизации, зависит не толь­ко от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристалли­зации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имею­щихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются гото­выми центрами кристаллизации. Ими являются оксиды, нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристалли­зации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристаллическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем больше таких частичек, тем мельче будут зерна закристаллизовав­шегося металла.

На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлажде­ния. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кри­сталлизации и, следовательно, мельче зерно металла.

Чтобы получить мелкое зерно, созда­ют искусственные центры кристаллиза­ции. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специальные вещества, называемые модификаторами.

Моди­фицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (кар­биды, оксиды). При модифицирова­нии, например, стали применяют алю­миний, титан, ванадий; алюминиевых сплавов — марганец, титан, ванадий.

Иногда в качестве модификаторов применяют поверхностно-активные вещества. Они растворяются в жидком металле. Эти модификаторы осаждаются на поверхности растущих кри­сталлов, образуя очень тонкий слой. Этот слой препятствует дальнейше­му росту кристаллов, придавая металлу мелкозернистое строение.