Основные понятия и определения. 1
Фаза 1
Фазовый состав 1
Структура
Микроструктуры можно разделить на 3 вида 1
Морфология 1
Структурные составляющие 1
Типы межфазных границ. 1
Когерентная граница 1
Полукогерентная граница 1
Некогерентная граница 1
Фазовые превращения 1
Структурные превращеия 1
Механизм 1
Кинетика 2
Движущая сила превращения 2
Объёмная энергия 2
Поверхностная свободная энергия 2
энергия упругой деформации 2
граничная свободная энергия 2
Общее изменение энергии 2
зародышы 2
Флуктуации 2
максимальная работа по образованию зародыша критического размера 2
Гомогенные зарождения 3
Гетерогенные зарождения 3
Фазовые превращения 1-го рода 3
Фазовые превращения 2-го рода 3
Структурные превращения при пластической деформации и после термического воздействия. 3
ХПД 3
Пластич деф 3
Монокристалл 3
Поликристалл 3
внутризерновая деформация 3
Скольжение дислокаций 3
Двойникование дислокаций 3
Незакономерный поворот 1 части кристалла, относит другой 3
В результате пластич деформ происх 3
текстура 3
Изменение формы зёрен и их кристаллографическая ориентировка 3
Механическая или геометрическая текстура. 4
Кристаллографич текстура 4
Ось ориентировки 4
Ось текстуры 4
Осевые текстуры и полные текстуры. 4
однокомпонентная текстура 4
Изменение внутреннего строения зёрен и структурных составляющих. 4
Формирование ячеистой структуры 4
Деформационные или переходные полосы 4
Условия образования полос 4
Деформационные полосы 4
Переходная полоса 4
Полоса сброса 4
Полоса сдвига 4
Увеличение плотности дислокаций и концентрация дефектов крист строения. 5
Возникновение геометрической и кристаллографической текстуры 5
Изменение свойств при холодной пластической деформации. 5
Изменение свободной энергии при холодной пластической деформации. 5
Механизмы накопления энергии при пластической деформации. 5
Возврат. 6
возврат 1-го рода(отдых) 6
возврат 2-го рода (полигонизация). 6
Механизм отдыха включает 6
Кинетика процесса отдыха 7
Возврат 2-го рода (полигонизация) 7
Механизмы полигонизации 7
блоки, субзёрна, полигоны 7
Существует 2 механизма роста субзёрен 7
Коалистенция 7
Миграция субграниц 7
групповая коалисценция 7
рекрист на месте. 7
Рекристаллизация 8
Первичная 8
Совершенная структура 8
Собирательная рекристаллизация 8
На размер зерна влияют: 9
Время выдержки. 9
Примеси 9
Включение второй фазы. 9
Вторичная рекристаллизация. 9
Влияние различных факторов на размер рекристаллизованого зерна. 9
Влияение Т и t выдержки. 9
Влияние степени деформации. 9
Влияние примесей и л.э. на размер зерна. 9
Фазовые превращения. 10
Различают 2 механизма перестройки 10
Нормальный или диффузионный 10
Сдвиговой (мартенситный). 10
В зависимости от механизма перестройки решётки различают на 2 вида ФП 10
Диффузионные 10
Бездиффузионные 10
Фазовые превращения без изменения состава фаз 10
энергии границы зерна 10
Атомный объём 10
Gкр 10
Откуда в замкнутой системе берётся дополнительная энергия? 10
Рассмотрим процесс при постоянной температуре 11
скорость зарождения 11
энергия активации 11
Фазовое превращение сопровождающ изменением состава фаз 11
Изменение энергии на ΔGф соответствует изменению состава на величину ±ΔХ. Вероятность возникновения флуктуаций Р 11
Морфология зародышей новой фазы, образующейся в результате фазового превращения 11
Страница 1.
Основные понятия и определения.
Фаза – это гомогенная часть гетерогенной системы, характериз непрерывно меняющимися от точки к точке термодин или физ-хим св-ми отделённые от других частей системы, поверхностью радиуса. При переходе через которую свойства меняются скачкообразно.
Фазовый состав – савокупность фаз, составляющих данную систему.
Структура – (лат. строение) – в зависимости от размеров элементов структуры (αэл) различают:
1. αэл <<d ат 2. αэл >> d ат 3. αэл ~ d ат
Когда размер элем структуры порядка диаметра.
Микроструктуры можно разделить на 3 вида:
1) макрострукутура αэл > 10 -4 м
2) микроструктура αэл = 10 -1 ÷ 10 - 9 м
3) субструктура αэл ~ 10 -9 ÷ dат
Все разновидности микроструктуры характеризуются морфологией.
Морфология – внешний вид, форма.
Структурные составляющие – это различные однотипные элементы микроструктуры. Каждый элемент может представлять либо 1 фазу, либо савокупность фаз (макро-, микро-) или характер. строение фаз.
Примеры: В макроструктуре одной из структ составл явл макрозерно, кот характериз большеугловой границей.
В микроструктуре одной из структ составл явл микрозерно, кот можно изучить в электрон микроскоп.
Типы межфазных границ.
1. Когерентная граница (сцепление, связь) – решётка одной фазы, непрерывно переходит в решётку другой фазы, на межфазной границе нет разрыва.
2. Полукогерентная граница – содержит элем, где реш не связаны.
3. Некогерентная граница – полностью наруш связь между решётками двух фаз.
При внешнем воздействии Т и Р происходит изменение фазового состава и структуры вследствии развития фазовых и структурных превращений. Это перестройка фазовой структуры. Если в результате превращения происходит изменение фазового состава, то такое превращение назыв – фазовым превращением, если измен структура – структурным превращением.
Все фазовые превращения сопровождаются изменением структуры, но не все структурные превращения протекают с изменением фазового состава.
В теории фаз и структурных превращений основной вопрос как происходит и почему?
На вопрос как ответ даёт информация о механизме и кинетике превращений.
Механизм – это савокупность промежуточных состояний или процессов, которые притерпевают какое-либо физич или химич явл. при переходе из одного состояния в другое.
Страница 2.
Кинетика - микроскопическая теория процессов в неравновесных средах (физическая).
Кинетика - раздел раздел физической химии, изучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращенийизучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений (химическая).
На вопрос почему даёт ответ термодинамика.
Любое превращение развивается вследствии стремления системы к минимуму свободной энергии. Различают своб энер исх и конеч состсоздаёт движ энер, фазового и структурного превращ, кот назыв движ силой превращ.
ΔT:Gα = Gγ – не протек превращ
ΔT=T0-T1 – степень переохл.
Если мы имеем идеальное крист строение фаз, это происх засчёт измен типа крист реш, то в этом случае движущ сила превращ обеспеч только измен химич свободной энергии.
В отдельных видах превращ измен своб энергии при превращ, может происх засчёт измен конц дефектов крист строения, тогда движ сила превращ будет своб энерг дефектов.
ΔG= ΔGхим+ ΔGдеф= ΔGоб – объёмная энергия
Однако при появлении в объёме исходной фазы, образ поверхность раздела, а следовательно должна появится поверхностная свободная энергия. ΔGпов.
С поверхностью связано появление энергии упругой деформации на этой межфазной границе ΔGупр.
ΔG=ΔGупр.+ ΔGпов.= ΔGгр - граничная свободная энергия
Общее измен энергии при образов частиц фазы:
ΔG=-ΔGоб+ΔGгр=-(ΔGхим+ΔGдеф)+(ΔGпов+ΔGупр)
Знак минус перед ΔGоб означает что эта составляющая уменьшается, в то время как граничная энергия возрастает при превращении.
Частицы новой фазы, кот появл при кр. назыв зародышами. Они в исх фазе могут появляться при Т<То (переохл) или Т>То (перегрев) вследствии флуктуации энергий или хим состава.
Флуктуация – временное случайное отклонение от равномерного распределения. К самопроизвольному росту способен не любой зародыш, кот возник в исх фазе, а только тот, кот достиг критич размера или критич зародыши.
ΔGкр – максимальная работа по образованию зародыша критического размера.
Все зародыши возник в результате флуктуаций не способ к самопроизв росту (они раств.) Только те у кот r≥rкр. (самопроизв).
Условие необходимости совершения опред работы, для образ зародыша новой фазы влечёт за собой новое правило:
Последоват образования фаз регулируется не достигаемым уровнем своб энер, а величиной энергетического барьера, при образовании новой фазы (ΔGкр), т.е. будет протек образ той фазы, для кот ΔGкр минимальное.
Страница 3.
Различают гомогенные и гетерогенные зарождения.
Гомогенные – это такие зарождения, кот происх на флуктуац механизме зарожд происх по всему объёму исх фазы одновременно.
Гетерогенные – это зарождение на предпочтительных местах в каждой фазе, кот обеспеч более низкую работу зарождения.
Фазовые превращения 1-го рода характ наличием стадии образ зародышей.
Фазовые превращения 2-го рода характ отстутствием стадии образ зародышей.
Структурные превращения при пластической деформации и после термического воздействия.
Изменение структуры и свойств Ме и сплавов при хол пластич деформ (хпд).
ХПД – это деформ при темпер ниже темпер возврата, когда отсутств термич активируемые процессы возврата или рекристализ.
Пластич деф – это деф, кот не устран после снятия нагрузки, она првиодит к необратимым изменениям тв тела.
Монокристалл – это кристалл в структуре которого отсутствуют большеугловые границы. Если он идеальный, то должны отсутствовать дефекты крист строения. В реальных условиях монокристалл разбит на блоки с малоугловыми границами, внутри этих блоков структура идеальная.
Поликристалл – это крист савокуп отдельных монокристаллов, кот назыв кристализами или зёрнами. Монокристалл анизотропен, поликристалл может быть анизотропен. Для поликрист при низких темпер основным механизмом пластич деформ явл внутрезерновые сдвиговые перемещ одних частей зерна относ других – это внутризерновая деформация и может осуществляться 3 путями:
- Скольжение дислокаций (1)
- Двойникование дислокаций (2)
- Незакономерный поворот 1 части кристалла, относит другой
При обработке металлов давлением происходит разогрев металла, поэтому процесс деформир заканчив скольжением, а начин двойникованием.
В процессе пластич деформ происх увелич дислок. В результате пластич деформ происх:
1) Изменение формы зёрен и их кристаллографич ориентировки
2) Изменение внтуризерновой структуры
Изменение формы зёрен и их кристаллографическая ориентировка.
При обработке давлением изменение формы тела в результате пластич деформ есть следствие изменения формы зёрен, кот вытягив в направл глав деформац напряж, т.о. в результате пластич деформ формир текстура. Под текстурой понимаем анизотропное упорядоченное ориентирование относ внешней системы координат расположения в тв теле, образующих его составных частей.
Страница 4.
Различают:
1) Механическая или геометрическая текстура., кот характ морфологией структурных составляющих. При деформации отдельные зёрна вытягиваются, образуя волокнистую структуру.
Образуется строчечная структура. При больших степенях деформации.
2) Кристаллографич текстура – наличие прим кристаллографич ориентировок отдельных зёрен, характер осью текстуры и осью ориентировки. Ось ориентировки – это то направление в полуфаб параллельно которому устан опред кристаллографич направл кристаллов или зёрен.
Ось текстуры – это кристаллографич направл отдельных кристаллов или зёрен, кот устан параллельно оси ориентировки. Характериз индексами кристаллографич направл <UVW> I I оси ориентировки. В завис от вида обработки давлением различают несколько видов кристаллограф текстур. Осевые текстуры и полные текстуры.
Если все кристаллы имеют одну ориентировку, то такая текстура называется однокомпонентной.
Изменение внутреннего строения зёрен и структурных составляющих.
1. Формирование ячеистой структуры. Условия формир необх степ деформ (ε≤10%).
Средняя или высокая энергия дефектов упаковки. Ячеистая структура не образ из-за низкой энергии.
2. Деформационные или переходные полосы.
Условия образования полос: средние и высокие степени деформации.
а) Деформационные полосы (ДП)- это участки одного и того же зерна, внутри которых ориентировка меняется незначительно, но сами эти участки развёрнуты на большие углы (несколько десятков град) по отнош к сосед участкам этого же кристалла. Причина появления: воздействие на отдельное зерно соседних зёрен поликристалла.
б) Полоса сброса – это такаяже деформац полоса, по обе стороны от этой полосы ориентировка решётки одинакова (полоса сброса появл редко)
в) Переходная полоса (ПП) – это граница между двумя диф полосами в кот ориентировка крист реш постепенно меняется от ориентировки характерной для 1 диф полосы, до ориентировки характерной для другой деформ полосы.
Под оптическим микроскопом переходная полоса выявляется в виде тонких линий и может быть неотличима от большеугловых границ. Переходная полоса состоит из микрополос, кот выявл при электронной микроскопии. Отдельные микрополосы отделены границами, которые представляют собой две параллельные плоские стенки дислокаций.
г) Полоса сдвига – это участок сильной сдвиговой деформации, кот располаг под углом 45º к направлению прокатки. В отличие от ДП, ПС может переходить из 1 в другую.
Страница 5.
???????????
1. Увеличение плотности дислокаций и концентрация дефектов крист строения.
С повыш степ деформ растёт плотность дислокаций, появляются границы ячеек и субзёрна и другие несовершенства крист строения. Все они препятств дивж дислок, падает пластичность, растёт прочность.
2. Возникновение геометрической и кристаллографической текстуры.
В безтекстурном поликристалле св-ва изотопов не завис от полуфабриката или изделия. При образ волокнистой миткроструктуры границы зёрен (волокон) ослабены из-за повыш плотности дислокаций, поэтому мех св-ва в параллельном и перпендикулярном направлении будут различны. Возникновение его текстуры приводит к анизотропии свойств.
???????????
Изменение свойств при холодной пластической деформации.
При образовании микроструктуры гран зёрен (волокон) ослаблены из-за повыш плотности дислокаций, поэтому механ св-ва в парал и перпен направл будут различаться.
Возникновение любой текстуры приводит к анизотропии свойств.
Изменение свободной энергии при холодной пластической деформации.
Для ХПД необх совершить работу.
W=ʃ fdx , где w – работа необходимая при пластической деформации.
f – деформирующая сила
x – расстояние
Эта работа тратиться на разогрев деформир Ме и на увелич внутр энер тв тела (ΔU).
Механизмы накопления энергии при пластической деформации.
1. Энергия упругих деформаций составляет несколько % от ΔU. Её увеличение обусловленно локальными искажениями крист реш, вследствии взаимного влияния отдельных зёрендруг на друга или на частей одного и того же зерна.
ΔUупр=f (μ,εл2)
μ – модуль сдвига
εл – локальная упругая деформация
2. Энергия обусловленная дефектами крист строения.
а) Точечными дефектами.
Искажение решётки вблизи точечных дефектов вызывает увеличение внтур энергии ΔU.
Величина ΔU тем выше, чем выше конц точечных дефектов (вакансии). Вобщем вклад этой энергии в измен внтур энергии небольшой.
б) Энергия обусл линей дефектами (дислокации). Вносит основной вклад в изменение внутр энергии. Энергия приходящая на единицу длины дислокации (E) зависит от искажений, кот дислок созд вокруг себя, и от энергии ядра дислокаций. Если в объёме (V) вся суммар длина дислокаций (L) тогда плотность определяется
ρ= L/V
Внутренняя энергия обусловленная линейными дефектами определяется:
ΔUдисл. = f (E;ρ)
E – зависит от природы материала и типа дислокаций
ρ – зависит от степени деформаций
Плотность дисл |
Исх сост |
ХПД ε≤10% |
ХПД ε>10% |
ρ, см-2 |
106÷108 |
109÷1010 |
1011÷1012 |
Т.о. в процессе хол пластич деформ плотность дислокаций ρ увеличивается на несколько порядков, следовательно увеличивается величина ΔUдисл.
в) Энергия обусл плоскими дефектами крист строения (дефекты упаковки, двойники, субграницы, дефекты представляющие собой комбинацию дислокаций). Если появл новая поверхность, то увел общая энергия засчёт увел поверхностной энергии. Основные изменения запасённые при деформации энергии обусл увел плот дислок.
H=U+PV
При P=1атм, обычно принимают что
H≈U, ΔH≈ΔU
G=H-TS
При низких температурах вклад энтропии (S) в величину т-д потенциала мал.
ΔG=H-TΔS
Изменение ΔH тоже незначительно, поэтому
ΔG≈ ΔH≈ΔU
Внутренняя энергия (ΔU) определяется плотностью (ρ) дислокаций, т.е. при деформ происх увел запаса своб энер Гиббса вследствии повыш концентрации дефектов кристаллич строения., следовательно структура хол деформир материала явл т-д нестабильной и должны протекать самопроизвольные процессы, приводящие структуру в более равновесное состояние. Для ускорения процессов используют нагрев (для некоторых материалов это происх при отриц темпер). В зависимости от механизма этих процессов различают возврат и рекристаллизацию.
Страница 6.
Возврат.
Это совокупность любых самопроизвольных процессов, концентраций и перераспред деффектов крист строения в структуре деформир Ме, не приводящ к миграции большеугловых границ. При этом не происх видим измен в микроструктуре, а измен только субструктура
Если возврат протекает без образов и миграций малоугловых границ, то это возврат 1-го рода(отдых). Если с ними – то это возврат 2-го рода (полигонизация).
ΔG=-ΔGоб+ΔGгр
ΔGгр=0 – нет поверх раздела, упр искажен
ΔG= -ΔGоб= -(ΔGхим+ ΔGдеф)
ΔGхим=0 , т.к. нет образования новой фазы
ΔG=-ΔGдеф
Т.е. движ силой проц возврата явл пониж своб энер путём уменьш конц деф крист строения.
Отдых (возврат 1-го рода).
Все данные о механизме или кинетике отдыха базируются на косвенных методах исследования. Механизм отдыха включает:
1) Перераспределение и анигиляцию точечных дефектов. В результате анигиляции конц точечных дефектов достиг равновес состава.
2) Перегруппировка дислокаций. В результате дислок разного знака анигилир. Перемещение дислок происх путём скольжения и переползания. В результате происх небольш уменьш конц деф крист строен и пониж энер системы.
Страница 7.
Кинетика процесса отдыха.
Процессы при отдыхе не требуют образования зародышей критического размера, поэтому они начин сразуже после проц деформ, или при нагреве до задан темпер (нет инкубационного периода). Судить о развитии процессов отдыха можно по измен некоторых свойств.
К точечным дефектам очень чувствительны электропроводность и электросопротивление.
Лигир элем и атомы примесей уменьш скор отдыха, т.к. затрудн перемещ вакансий.
Возврат 2-го рода (полигонизация).
Движ силой процесса явл уменьш конц деф, засчёт крист строения. Засчёт анигиляции и связывания дислок одного знака в малоугловые границы. Полигонизация протек вслед за отдыхом.
Механизмы полигонизации:
Нач этапы как в пункте 2 отдыха, т.е. на первых этапах идёт проц анигиляции дислокаций разных знаков, в определённый момент в крист ост дислок только одного знака.
Остаточный изгиб кристалла связан с избытком одного знака. Плоскости выходящие в верхнюю часть крист действуют как клинья. Такое расположение дислокаций энергетически невыгодно. Более выгодное расположение дислокаций друг под другом, при этом идёт частичная компенсация областей растяжения – сжатия, в результате дислокации стремятся встать друг под другом и образ стенку, т.е. образ малоугловая граница блока или полигона. Области раздел стенками дислок назыв блоками, субзёрнами, полигонами. Скорость полигонизации опред скор переполз дислокаций, т.к. одним скольж верт стенку дислокации построить нельзя. Как и отдых процессы полигонизации не треб образ зародышей критич размера. Образ на нач этапах полигонизации субзёрна растут у увелич вр выдержки.
Существует 2 механизма роста субзёрен:
1) Миграция субграниц
2) Коалистенция (слияние, объединение)
1) Движ силой процесса явл уменьшение своб энер субграниц. Два близко расположенных зерна Р2 и Р3образ общ границу, Р3 съедается Р2 и Р1. Миграция субграниц происходит засчёт скольжения и переползания дислокаций.
2) Основной механизм – переползание дислокаций (засчёт дифузии в объёме зерна). Дислокации из малоугловой границы переполз к другим границам.
В результате переползания граница I “рассасывается”, получается одно большое зерно. Процесс каалисценции может происходить сразу в нескольких субзёрнах – групповая коалисценция. Размер зёрен достигает 10 мкм. Иногда полигонизацию на поздних стадиях, когда образ больш субзёрна назыв рекрист на месте.
Темпер нач полигон не явл const, и опред многими факторами. Атомы примеси также тормозят процесс полиг.
Страница 8.
Рекристаллизация
1) Первичная
2) Собирательная
3) Вторичная
1) Первичная. – процесс образования и рост зёрен с более совершен структурой, чем после деформ. (возврата) окружённый большеугловыми границами засчёт исх деформир зёрен той же фазы. Совершенная структура – в которой содержится минимальное количество дефектов крист строения.
Центры рекристаллизации имеют ориентировку отличную от деформир Ме. Движ силой зарожд зёрен с более совершенной структурой явл пониж объёмной свободной энергии засчёт пониж конц деф крист строения, однаков отличие от отдыха и полигонизации при первич рекрист появл большугловых границ зёрен вызывают увелич поверх энер.
Атомы переходят из деформиров реш в реш имеющую идеальное строение, т.к. G одинаково, то энергетический барьер для перехода 1, будет меньше чем для перехода 2. Поэтому частота перескока по пути 1 будет выше частоты перескока по пути 2, следовательно граница будет двигаться влево в сторону деформир состояния, проц крист заверш, когда полностью исчезает деформир зерно.
2) Собирательная рекристаллизация.
Это процесс роста одних рекристаллизов зёрен за счёт соседних , путём миграции большеугловых границ. Собирательная рекристаллизация происходит в любом материале при нагреве. (собират рекрист также назыв укрупнение зёрен). Т-д стимулом, или движ силой собират рекрист явл уменьш внеш поверх зёрен.
ΔG=ΔGпов=γΔS
γ- удельная поверхностаня энергия
ΔS- изменение площади границ
SI>SII
Страница 9.
На размер зерна влияют:
1. Время выдержки.
D=B*τn n=0,1-0,5
D- размер зерна
B- конст матер завис от Т
τ – время выдержки
2. Примеси
Концентрация примесей на границе препятствует их движение и тормозит рост зёрен.
3. Включение второй фазы.
Если частицы второй фазы малкие, и их много, то они будут тормозить рост зёрен.
D=d/f D- размер зерна, d- размер частиц 2-ой фазы, d – объёмная доля 2-ой фазы.
По мере развития СР движущая сила уменьшается, включения могут полностью затормозить процесс СР.
3) Вторичная рекристаллизация.
Это неравномерный рост зёрен после первичной рекристаллизации. В результате в структуре образ отдельные крупные зёрна в 50-100 раз больше размера остальных зёрен.
Вторичная рекрист конкурирует с собират рекрист. Причина аномального роста зёрен - в реальных полуфаб границы большинства зёрен после первич рекрист закреплены примесями или частицами второй фазы, но есть отдельные зёрна у которых границы подвижны.
Влияние различных факторов на размер рекристаллизованого зерна.