- •Введение
- •1. Строение и свойства материалов
- •1.1. Классификация материалов
- •Плазма газ жидкость твердое тело
- •1.2. Кристаллическое строение материалов
- •1.3. Дефекты кристаллического строения
- •1.3.1. Точечные дефекты
- •1.3.2. Линейные дефекты
- •1.3.3. Поверхностные и объемные дефекты
- •1.4. Свойства материалов и методы их испытаний
- •2. Кристаллизация металлов и сплавов
- •2.1. Гомогенная и гетерогенная кристаллизация
- •2.2. Строение металлического слитка
- •2.3. Выращивание монокристаллов
- •2.3.1. Получение монокристаллов из расплава
- •2.3.2. Получение монокристаллов из раствора
- •2.3.2. Получение монокристаллов из паровой фазы
- •2.4. Аморфные металлические сплавы
- •3. Деформация и разрушение металлов
- •3.1. Упругая и пластическая деформация
- •3.2 Деформация моно- и поликристаллов
- •3.3. Влияние температуры на структуру деформированного металла
- •4. Основы теории двойных сплавов
- •4.1. Строение сплавов
- •4.2. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •4.3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- •4.4. Углеродистые стали
- •4.5. Чугуны
- •5. Основы термической обработки стали
- •5.1. Основные превращения в стали
- •5.2. Отжиг стали
- •5.3. Закалка и отпуск
- •6. Поверхностное упрочнение деталей
- •6.1. Упрочнение методом пластической деформации
- •6.2. Упрочнение методом поверхностной закалки
- •6.3. Химико-термическая обработка
- •7. Легированные стали
- •7.1. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства
- •7.2. Маркировка и классификация легированных сталей
- •7.3. Конструкционные стали
- •7.4. Инструментальные стали
- •7.5. Стали с особыми свойствами
- •8. Цветные металлы и сплавы
- •8.1. Титан и его сплавы
- •8.2. Алюминий и его сплавы
- •8.3. Магний и его сплавы
- •8.4. Медь и ее сплавы
- •8.5. Другие цветные металлы и сплавы
- •8.6. Материалы с памятью формы
- •9. Неметаллические и композиционные материалы
- •9.1. Полимеры
- •9.2. Пластмассы
- •9.3. Композиционные материалы
- •9.4. Керамические материалы
- •10. Материалы с особыми электрическими свойствами
- •10.1. Физическая природа электропроводности
- •10.2. Факторы, влияющие на удельное сопротивление
- •10.3. Материалы высокой проводимости
- •10.4. Сверхпроводящие металлы и сплавы
- •10.5. Материалы с высоким сопротивлением
- •10.6. Металлы и сплавы различного назначения
- •10.7. Материалы для припоев
- •11. Материалы с особыми магнитными свойствами
- •11.1. Классификация веществ по магнитным свойствам
- •11.2. Природа ферромагнитного состояния
- •11.3. Процессы намагничивания ферромагнетиков
- •Магнитная проницаемость, определяемая по формуле
- •11.4. Классификация магнитных материалов
- •11.4.1. Магнитомягкне материалы
- •Высокочастотные магнитомягкие материалы.
- •11.4.2. Магнитотвердые материалы
- •Заключение
- •Литература
- •Оглавление
2.3.2. Получение монокристаллов из раствора
Кристаллизацией из раствора получают более чистые и совершенные по структуре монокристаллы, так как процесс происходит при более низких температурах, чем кристаллизация из расплавов. Раствор – гомогенная (однородная) смесь, образованная двумя и более компонентами, один из которых растворитель, другой – растворимое вещество. Компоненты распределены в виде молекул, атомов или ионов. Растворители – вода, многокомпонентные водные и неводные растворы, расплавы химических соединений.
Процесс роста состоит из следующих стадий: 1) растворение компонентов; 2) диффузия компонентов через жидкую фазу к фронту кристаллизации; 3) осаждение и диффузия в кристалле; 4) отвод теплоты кристаллизации. При выращивании кристаллов из расплава лимитирующей стадией является отвод теплоты, при выращивании из раствора – диффузия компонентов. Вследствие этого скорость роста кристаллов из раствора на 2–3 порядка меньше скорости роста из расплавов.
В зависимости от температуры процесса и химической природы растворителя различают процессы выращивания из низкотемпературных растворов (температуры не выше 80–90 °С), перегретых растворов (гидротермальный метод, температуры до 800 °С), солевых расплавов (кристаллизация из раствора в расплаве, температуры до 1500 °С).
Низкотемпературный кристаллизатор (см. рис. 2.12). Растворители – вода, спирты, кислоты и др. Необходимое для начала кристаллизации пересыщение раствора достигается при постепенном понижении температуры в объеме кристаллизатора, либо при создании в кристаллизаторе двух зон с различными температурами.
Методом снижения температуры раствора выращивают кристаллы сегнетовой соли, квасцов и т. д. В методе температурного перепада в кристаллизаторе создают две области с разными температурами. В нижней части высокого сосуда происходит растворение твердого вещества, в верхней подвешивается затравка. В результате конвекции раствора обеспечивается постоянный перенос вещества снизу вверх, в зону роста. Этим методом выращивают кристаллы дигидрофосфатов калия и а ммония (KDP и ADP). Скорость роста составляет около 1 мм в сутки. Кристаллы весом 400 г растут 1,5–2 месяца.
В ысокотемпературный кристаллизатор (рис. 2.13) имеет тигель с растворителем и кристаллизуемым соединением, помещенный в печь. Растворители – расплавленные соли и др. Кристалл растет при медленном снижении температуры (раствор-расплавная кристаллизация). Метод применяется для получения кристаллов железоиттриевых гранатов, слюды, полупроводниковых пленок.
Гидротермальное выращивание (рис. 2.14) применяется, когда растворимость вещества в водной среде при комнатной температуре и нормальном давлении мала, либо имеется несколько полиморфных модификаций. Сущность, как и в методе температурного перепада, заключается в непрерывном переносе растворенного вещества конвекционными потоками, которые образуются в растворе вследствие наличия градиента температуры. Пересыщение создается за счет высокого давления и перепада температур между верхней и нижней частями автоклава. В верхней части автоклава образуется кристалл. Скорость выращивания – от долей мм до нескольких мм в сутки. Кристаллы имеют высокое качество и кристаллографическую огранку, так как растут в условиях, близких к равновесным. Гидротермальный синтез – основной процесс производства монокристаллов кварца, рубина, кальцита, некоторых полупроводников.
Например, кристаллы сфалерита ZnS невозможно получить из расплава: при 1080 °С происходит полиморфное превращение в гексагональную модификацию – вюрцит. В гидротермальных условиях рост сфалерита происходит при более низкой (300–500 °С) температуре, т. е. в области устойчивой кубической модификации.
В ыращивание из раствора в расплаве. Метод спонтанной кристаллизации (рис. 2.15) заключается в обдуве холодным газом небольшого участка в центре дна тигля, где и возникает кристалл. Так как объем раствора велик (10–20 л), то растущий кристалл слабо меняет общее пересыщение раствора. Достоинство метода: кристаллизация проводится значительно ниже температуры плавления. Недостатки: необходимость точного регулирования температуры, дорогостоящие тигли. Способ позволил решить проблему синтеза алмаза для абразивных целей. Температура кристаллизации 1500 °С, давление в камере 50–60 тыс. атм. В качестве катализаторов-растворителей используются металлы переходной валентности: хром, марганец, кобальт, никель, палладий. Источник углерода – графит. При нагревании образуется раствор, в котором возникают кристаллы алмаза. Выращивают также крупные монокристаллы феррогранатов и ортоферритов.
Кристаллизация на затравку – затравочный кристалл находится в растворе и частично растворяется. Пересыщение раствора создается вблизи кристалла. Рост происходит при снижении температуры раствора. Равномерная подача вещества достигается вращением кристалла.
Зонная раствор-расплавная кристаллизация аналогична зонной плавке и заключается в том, что благодаря температурному градиенту происходит перемещение узкой зоны раствора вдоль образца.