Введение в физическое металловедение

Юм-Розери В.

Металлургия, 1965 г.

1. Реальные и идеальные кристаллы

Твердые металлы представляют собой кристаллические тела, состоящие из большого числа маленьких кристалликов, в каждом из которых атомы располагаются по определенной системе.

Различные кристаллические зерна, или кристаллиты, отличаются один от другого ориентировкой и до недавнего времени считали, что каждый кристаллит является совершенным монокристаллом, в решетке которого атомы расположены правильно.

Однако в 1934 г. Тейлор, Орован и Поляни независимо друг от друга высказали мысль о том, что металлические кристаллы имеют такие дефектыструктуры, как например дислокации, и что механические свойства этих кристаллов в сильной степени зависят от числа структурных дефектов. В настоящее время достоверность этих соображений не вызывает никаких сомнений, и в связи с этим при анализе структуры необходимо учитывать как идеально правильное расположение атомов, на котором базируются представления об идеальной кристаллической структуре, так и действительную, или реальную, структуру, которая может иметь структурные несовершенства нескольких видов.

Поскольку реальная структура является искаженной формой идеальной структуры, то, очевидно, удобнее сначала рассмотреть идеальную структуру.

2. Элементарная ячейка и индексы Миллера

Любую идеальную структуру можно рассматривать как результат трансляции единичного параллелепипеда или элементарной ячейки в трех различных направлениях. В простейших случаях это может быть один атом, расположенный в углу каждой элементарной ячейки …

Из рис. 38 видно, что поскольку октаэдрическая пора располагается в середине ребра куба', то на ее размеры будет сильнее влиять растяжение кристалла в направлении, параллельном ребру куба, чем в перпендикулярном ему.

Имеется три сорта октаэдрических пустот, которые вытягиваются при растяжении кристалла в направлении, параллельном ребру куба, что отражается на внутреннем трении некоторых сплавов, имеющих кубическую объемноцентрированную-структуру, в которой растворенные атомы располагаются в пустотах.

В таких сплавах при отсутствии напряжений атомы растворенного вещества, находящиеся в промежутках между металлическими атомами, совершенно случайно распределяются между тремя видами октаэдрических пустот. Однако в случае приложения напряжений в направлении, параллельном ребру куба, растворенные атомы начинают мигрировать и располагаются более предпочтительно в тех пустотах, размеры которых под действием напряжений увеличиваются.

Если прикладываемые напряжения менять периодически, то указанный вид миграции существенно повлияет на внутреннее трение сплава.

Из рассмотрения рис. 37 следует, что хотя тетраэдрические пустоты в кубической объемноцентрированной структуре и являются самыми большими, однако внедрение постороннего атома диаметром, несколько превышающим размеры пустот, должно привести к смещению сразу 4 металлических атомов в направлениях (см. рис. 34), отвечающих значительному перекрытию отталкивающихся один от другого электронных облаков. С другой стороны, если растворенный атом внедряется в октаэдрическую пору, то он может занять ее за счет смещения главным образом только двух металлических атомов, располагающихся на одном ребре куба (см. рис. 34), и направление этих смещений таково, что при этом не происходит значительного перекрытия взаимноотталкивающихся электронных облаков.

Полагают, что именно по этой причине в некоторых сплавах, например в разбавленных твердых растворах углерода в <х -железе, растворенные атомы попадают в октаэдрические пустоты, хотя они меньше тетраэдрических.

РЕАЛЬНАЯ СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ

В предыдущих главах мы рассмотрели идеальные кристаллические структуры элементов-металлов и их изменение в присутствии дислокаций. Чтобы понять действительную структуру реальных металлических кристаллов, необходимо рассмотреть и другие несовершенства, из которых можно отметить следующие.

I. Примесные атомы

Ни один металл невозможно приготовить в абсолютно чистом состоянии. Новые методы очистки металлов, такие как зонная плавка, дают возможность получать в промышленных масштабах некоторые элементы (например, германий) с чистотой, превышающей 99,999%, а ряд металлов, например свинец, можно приготовить в ультрачистом виде и с помощью более п-ривычныж нам методов. Технически «чистые» металлы могут содержать до нескольких процентов примесей, и если эти примеси являются элементами с низким атомным весом (например, углерод, азот или кислород), то в пересчете на атомные .проценты содержание этих примесей может быть очень большим.

Как мы увидим в гл. VIII, первые -небольшие количества примесей 'В металле обычно входят .в кристалл в виде твердого раствора. Можно выделить два главных типа твердых растворов. Когда атомы примеси намного меньше атомов металла растворителя, растворенные атомы располагаются в решетке растворителя по междоузлиям, или «пустотам». Образование таких твердых растворов — твердых 'растворов внедрения— почти всегда сопровождается расширением решетки растворителя, и в окрестности каждого растворенного атома имеется локальное искажение решетки. Когда атомы примеси и растворителя имеют .приблизительно одинаковые размеры, образуется твердый раствор замещения, в котором атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя, так что атомы обоих сортов занимают места в узлах общей решетки. В таких случаях тоже вокруг каждого растворенного атома имеется искаженная область, а будет ли при этом решетка расширяться или сжиматься, зависит от относительных размеров атомов растворителя и растворенного вещества.

Для большей части металлов наиболее важными элементами, образующими твердые растворы внедрения, являются водород, бор, углерод, азот и кислород. Влияние относительных размеров атомов растворителя и растворенного элемента 'Хорошо иллюстрируется на примере кремния, который образует твердый раствор внедрения в ниобии, имеющем атомный диаметр 2,85 kX. Co многими другими металлами, атомный диаметр которых близок к 2,5 кХ, кремний образует твердые растворы типа замещения.

Из диаграмм, приведенных в гл. V, можно видеть, что присутствие дислокаций всегда приводит к появлению аномально больших или малых межатомных расстояний. Поэтому если только связи растворенных атомов не являются очень сильно направленными, растворенные атомы будут относительно легче размещаться <в решетке растворителя -вблизи дислокаций. Вследствие этого в присутствии примесей каждая дислокация окружена «атмосферой» примесных атомов, которая называется «коттреловской атмосферой». Примесные атмосферы «закрепляют» дислокации, потому что в результате перемещения дислокаций будет образовываться новая конфигурация с повышенной энергией, если только процесс .не происходит настолько медленно, что растворенные атомы тоже могут перемещаться путем диффузии. Этим эффектом объясняется явление порога (предела) текучести, наблюдающееся в некоторых металлах и состоящее в том, что в случае приложения постепенно увеличивающейся нагрузки дислокации удерживаются на месте до тех пор, пока напряжение не достигает величины, достаточной, чтобы освободить их от примесных атмосфер. После этого дислокации получают возможность быстро перемещаться, что приводит к возникновению .пластического течения при некотором более низком напряжении.

Границы между кристаллами также являются областями с аномальными межатомными расстояниями и, следовательно, тоже растворяют примесные атомы легче, чем неискаженные области кристаллов.

Отсюда следует, что в очень чистых металлах большая часть примесных атомов находится на границах зерен и вблизи дислокаций, концентрация же примесных атомов в основной массе кристаллов может быть намного меньше, чем 'В целом для данного образца. Однако количество примеси .необходимое для насыщения искаженных областей (т. е. границ зерен т дислокаций), очень мало и может изменяться от ~0,5 до 0,005% (атомн.) и меньше, в зависимости от размеров зерен и совершенства кристаллов .

При увеличения содержания примесей растворенные атомы входят и в основную массу кристалла, однако все еще имеется избыток примеси по границам зерен и вокруг дислокаций. Предел растворимости, или протяженность области существования твердых растворов, очень сильно изменяется при переходе от одной системы к другой, и в некоторых случаях может быть слишком мал, чтобы его можно было обнаружить экспериментально. Когда содержание примеси превышает предел растворимости, появляется новая фаза, которая может представлять собой или растворенное вещество, или промежуточную фазу, или соединение. В таких случаях границы между фазами могут быть двух 'родов. В общем случае кристаллическая структура частичек примеси слишком отлична от структуры металла-растворителя, поэтому решетки двух фаз .не могут переходить одна в другую, образуя непрерывную структуру. 'В таких случаях на границах раздела фаз образуются слои с 'Нерегулярной (искаженной) структурой. С образованием границ связано появление свободной поверхностной энергии, однако энергия деформации решетки растворителя относительно невелика, и обусловливается только 'Изменениями объема, происходящими при образовании частичек второй фазы. В таких случаях говорят, что эти частицы выделяются некогерентно.

B ряде случаев межатомные расстояния и кристаллическая структура металла-растворителя и частичек примеси таковы, что некоторые плоскости могут соединяться между собой, образуя непрерывную структуру. Тогда говорят, что частицы второй фазы .выделяются когерентно и, поскольку сопряжение решеток никогда .не бывает абсолютно точным, 'вокруг границы образуется сильно 'напряженная область. 'В тех случаях, когда энергия деформации слишком велика для этого, соседние кристаллы могут контактировать таким образом, что при этом в пограничных слоях возникают области упругой деформации, а на самой границе раздела — дислокации. В таких случаях говорят, что частицы выделяются полукогерентно. Таким образом, свойства решетки металла-растворителя в областях, окружающих частицы примеси, могут очень сильно отличаться в разных случаях, и в настоящее время эти эффекты изучены Недостаточно, за исключением случая частичек карбидной фазы в железе.

2. Вакансии

При повышении температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний атомов в решетке, и по мере того, как приближается температура плавления, средняя амплитуда колебаний

Железоуглеродистые сплавы называют до- или заэвтектоидными в зависимости от того, превышает или нет содержание углерода концентрацию эвтектоидной точки (см. рис. 121) на диаграмме состояния (3,61 % (атомн.) С = 0,8% (вес.) С]. Сплавы, содержащие до 8,91 % (атомн.) С [2,06% (вес.)], при Нагреве до соответствующей температуры можно получить в виде чистого аустенита. Если затем производить медленное охлаждение, то вначале будет выделяться феррит или цементит (в зависимости от состава), а затем следует эвтектоидное пре¬вращение: Эвтектоидная смесь феррита и цементита известна под названием перлита и характеризуется пластинчатой структурой. Однако если аустенит быстро охладить, то получится характерная микроструктура, природу которой можно выяснить путем исследования превращений, происходящих при постоянной температуре. С понижением температуры образования ламелярные участки перлита становятся тоньше и при еще более низких температурах вместо перлита образуются структуры, известные под названием верхнего баккита и нижнего баккита. Это смеси карбида и феррита с характерной микроструктурой, в которой феррит когерентно 'Связан с материнской фазой — аустенитом, тогда как феррит, выделившийся до начала эвтектоидного распада, когерентно не связан. При еще более низких температурах непосредственно из аустенита образуется мартенсит, а при использовании высоких скоростей охлаждения возможно сохранение остаточного аустенита. Мартенсит имеет тетрагональную объемноцентрированную структуру, в которой атомы железа образуют слегка искаженную кубическую объемноцентрированную решетку, в октаэдрические пустоты которой внедрены атомы углерода. В системе железо—азот мар¬тенсит можно получить быстрым охлаждением азотного аусте¬нита. В мартенситных структурах каждый атом углерода или азота смещает два смежных атома железа параллельно стороне куба, при этом образуется "тетрагональная структура. Мартенсит можно рассматривать как пересыщенный частично упорядоченный твердый раствор углерода в а-железе, который образуется в результате быстрого бездиффузионного превращения, при ко¬тором атомы углерода не имеют достаточного времени для диффузии, обеспечивающей образование смеси феррита и цементита. Мартенситные структуры могут образовываться и в Других системах, однако рассмотрение подобных превращений выходит за рамки данной книги. Системы железо — углерод и железо — азот — наиболее яркие примеры систем внедрения, поскольку в них как первичные …