Аллотропия или полиморфные превращения

Способ-тьМе сущ-ать в разных кристаллич. формах в завис-ти от внеш.условий (давление, температура)- аллотропия, полиморфизм.

Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию. Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).

Fe: – ОЦК - ;высокотумпер-ое

– ГЦК - ;

– ОЦК - ;

Превращение одной мод-ции в другую протекает при t=const и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

Строение реальных металлов.

Из жидкого расплава можно вырастить монокр-лл. Их используют для изучения св-в в-ва.Ме и сплавы, получ-ые в обыч.усл-ях, состоят из большого кол-ва кр-лов, т.е имеют поликристал-кое строение. Эти кр-лы наз-тся зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пр-ве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кр.реш-ки, отличную от ор-вки соседних зерен, вследствие чего св-ва реальных Ме усредняются, и явления анизотропии не наблюдается. В кристал-ой решетке реальныхМе имеются дефекты, кот-е нарушают связи между атомами и оказывают влияние на св-ва Ме. Различают такие структурные несовершенства:точечные – малые во всех трех измерениях;линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;поверхностные – малые в одном измерении.

Точеные дефекты

Одним из распрос-нных несовершенств кристаллич строения яв-ся наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей.

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кр.реш, «дырки». Образуется при переходе атомов с пов-ти в окр.среду или из узлов реш-ки на пов-сть(границы зерен, пустоты, трещины и т. д.), в рез-те пласт-ой деф-ации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Конц-ция вакансий опр-ся t тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Дислоцированный атом –атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Конц-ция дислоцированных атомов меньше, чем вакансий, т.к для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.Примесные атомы всегда присутствуют в металле, т.к практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располаг-тся в узлах реш-и или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению св-в тела (эл-ость, магнитные св-ва), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в тв-ом сост-ии.

Линейные дефекты:

Основ-ми линейными дефектами яв-ся дислокации. Дислокация –дефекты кристаллич стр-ия, предст-ющие собой линии, вдоль и вблизи кот-х нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных пл-ей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль кот-й обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости.Рис. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б).Неполная пл-сть наз-ся экстраплоскостью. Бол-во дислокаций обр-тся путем сдвигового механизма. Ее обр-ние можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относ-о верхней на 1 период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.Наиб искажения в расп-нии атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края эти искажения малы, а вдоль края искажения через весь кристалл и м.б очень велики

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная, если в нижней, то – отрицательная. Дислокации одного знака ßà, противополож àß.

Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по пл-ти Q вокруг линии EF. На пов-ти кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает паралл-ость атомных слоев, кристалл прев-ся в 1 атомную пл-ть, закрученную по винту вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть пл-ти скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопич характер области дефекта, в других напр-иях ее размеры составляют несколько периодов.Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, если против – левая. Винтовая дислокация не связана с к-л пл-тьюскольжения, она может перемещаться по любой пл-ти, проходящей через линию дислокации. В пр-ссе крист-ции атомы в-ва, выпадающие из пара или р-ра, легко присоед-тся к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.Линии дис-ций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, либо разветвляться на несколько дис-ций, либо выходить на пов-сть.

Пл-сть дислокаций в кристалле опр-ся как среднее число линий дис-ций, пересек-щих внутри тела площадку S=1м², или как суммарная длина линий дислокаций в V=1 м³ (см^-2; м^-2) Пл-сть дис-ий зависит от состояния материала. После отжига плотность дислокаций составляет 10⁵…10⁷ м^-2, в кр-лах с сильно деф-нной кр.р пл-сть дис-цийдостигает 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^–2. Пл-сть дис-ии в опр-ет пласт-ость и прочность.

Мин пр-сть опр-ся критической пл-тью дис-ций

Если пл-сть меньше значения а, то сопротив-е деформ-ию резко возрастает, а проч-сть приближается к теоретической. Повышение проч-ти достигается созданием ме с бездефектной структурой, и повышением пл-ти дис-ций, затрудняющим их движение. При упрочнении металлов увеличением пл-сти дис-ций, она не должна превышать значений 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^–2. В противномслучае образуются трещины. Дис-ции влияют не только на проч-сть и пласт-сть, и на др. св-ва. С увелич пл-ти дис-ций изменяются оптические св-ва, повышается электросопр-ие ме. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии, ускоряют старение и др процессы, уменьшают химстойкость.Образуются дислокации при деформации, в пр-ссе крист-ции, при терм.обработке. Поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков. Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов. Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров пов-ную зону с макснарушением порядка в расположении атомов. Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, кот-ые понижают пов-ную энергию. 4.Кристаллизация Ме.

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. В соответствии с этой схемой выше температуры Т_S в-во должнонах-ся в жидком состоянии, а ниже Т_S – в твердом При t =Т_S Ж и Т фаза имеют = энергию, ме в обоих сос-ях находится в равновесии, поэтому 2 фазы м.б одновременно бесконечно долго. t Т_S – равновесная или теор-ая tкристаллизации. Для крис-ции необходимо, чтобы пр-сс сопровождался уменьшением свободной энергии сис-мы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже t Т_S.t, при кот-й начинается кристаллизация называется фактической tкрис-ции. Охлаждение Ж ниже равн-ной tкрис-ции наз-ся переохлаждением, кот-е харак-ся степенью переохлаждения( ): Степень переох-ния зависит от природы ме, от степени его загрязненности(чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени). Крис-ция –пр-сс образования участков крист-ой решетки вЖ фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.Крис-ция протекает в условиях, когда сис-ма переходит к термодинамич более устойчивому состоянию с мин св. энергии.Пр-сс перехода ме изЖ состояния в крист-ое можно изобразить. Пр-сс крис-ции чистого металла: До точки 1 охлаждается ме вЖ состоянии, пр-сс сопровождается понижением t. На 1 – 2 пр-сс крис-ции, сопр-щийся выделением тепла, кот-е наз-ся скрытой теплотой крис-ции. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пр-во, и поэтому t=cost. После крис-ции в 2 tснижается, ме охлаждается вТ сост.