Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
Слитки, затвердевающие с образованием структуры, показанной на фиг. 1 ,а или б, редко бывают однородными, так как обычно центр слитка обогащен различными растворимыми и нерастворимыми примесями. Сегрегация такого типа иногда может привести к тому, что данный материал должен быть признан негодным, если при его последующей обработке выявятся дефекты, обязанные наличию сегрегаций. Например, при прокатке нержавеющей стали на лист центральная зона слитка в конце концов при достижении определенной толщины окажется на поверхности листа. Если после прокатки и отжига выяснится, что лист негоден, так как он имеет много поверхностных дефектов, то фирма-изготовитель потеряет значительное количество времени и денег. Потерь можно было бы избежать, получив слиток с первичной мелкозернистой, равноосной структурой.
В данном случае наличие сегрегации привело лишь к материальным потерям. Можно указать на другие примеры, где сегрегация явилась причиной эксплуатационных аварий, приводивших к большим убыткам и даже человеческим жертвам. В общем сегрегация должна быть ликвидирована или по крайней мере сведена к минимуму, так как качество изделия определяется качеством его самого слабого звена. Если какая-либо часть детали содержит слишком мало или слишком много растворенных атомов примеси, свойства целой детали определяются свойствами этой зоны сегрегации. Однако имеются случаи, например в современных термоэлектрических и полупроводниковых устройствах, где желательно получить в материале неоднородность по химическому составу, а для ее создания необходимо понимать, как образуется химическая неоднородность и как ею можно управлять. Действительно, значительная часть настоящей книги посвящена вопросам изменения 12
Г лава 4
концентрации растворенного вещества в твердом теле в процессе его кристаллизации.
До начала конкретного описания процесса кристаллизации в первую очередь необходимо рассмотреть различия в структуре и свойствах жидкостей и твердых тел. Эти различия определяют процессы, происходящие при превращении жидкости в твердое тело; изучение этих процессов и составляет задачу теории кристаллизации. Глава 2 ЖИДКОСТИ И ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
§ 1. Свойства твердых тел и жидкостей
Теория жидкого состояния значительно менее разработана, чем теории газообразного и твердого состояний вещества '). Иногда жидкости при рассмотрении можно объединять с твердыми телами как вещества, обладающие определенным объемом, а иногда вместе с газами как «текучие» среды.
Что касается твердых тел, то их структура и свойства достаточно хорошо известны2). Рассмотрение ряда различий в свойствах металлов, находящихся в жидком и твердом состояниях, дает некоторое представление о том, что именно происходит при переходе из одного состояния в другое.
Это хорошо иллюстрируется на примере меди, данные о свойствах которой в твердом и жидком состояниях приведены в табл. 1.
') В последние десятилетия наблюдается заметный прогресс в развитии теории жидкого состояния. Я- И. Френкель [31] разработал теорию, в которой подчеркивается близость природы жидкостей и твердых тел. Эта теория хорошо объясняет ряд закономерностей, характеризующих структуру и свойства жидкостей. Статистическая теория жидкостей, развиваемая Н. Н. Боголюбовым, М. Борном, Дж. Кирквудом (см. [32, 33]), ставит задачу строго вывести для жидкости уравнение состояния, связывающее объем, давление и температуру жидкости. — Прим. ред.
2) Дифракционные методы, позволившие определить атомное строение многих тысяч твердых тел, применены и для анализа структуры жидкостей. Оказалось, что прн плавлении металлов очень мало изменяются ие только межатомные расстояния (что видно из табл. 1), ио и координационное число, т. е. число ближайших соседей у каждого атома [33, 34]. Металлы, в твердом состоянии имеющие плотно упакованные решетки с координационным числом 12, после плавления сохраняют 11—12 соседей у каждого атома, у металлов с объемноцентрированной кристаллической решеткой сохраняется после плавления координационное число 8 и т. д. — Прим. ред. 14
Г лава 4
Таблица 1
Свойства меди в твердом и жидком состояниях
Свойства при температуре Твердое Жидкое
плавлення состояние состояние
Плотность, г1смъ...... 8,32 7,93
Межатомное расстояние (меж-
ду ближайшими соседями), Л 2,74 2,88
Электросопротивление,
мком - см......... 11 22
Коэффициент диффузии,
см2[сек.......... IO"8 IO-5
Параметры, определяющие
«текучесть» ........ Модуль Коэффициент
сдвига вязкости
Основное различие между двумя состояниями заключается в величине коэффициента диффузии и в параметрах «текучести». Под «текучестью» понимается способность металла принимать форму сосуда. Она определяется скоростью деформации тела под действием приложенной к нему статической силы сдвига. Коэффициент диффузии характеризуется скоростью, с которой атомы могут перемещаться в веществе с места на место при их хаотическом движении. И «текучесть», и коэффициент диффузии сильно изменяются при плавлении, так как они зависят от структуры конденсированной фазы. Размещение атомов в жидкости является неупорядоченным и характеризуется отсутствием дальнего порядка, т. е. отсутствием правильного расположения атомов, периодически повторяющегося в трех измерениях; твердое тело можно представить себе как совокупность атомов, расположенных с почти идеальным дальним порядком.
