Кристаллическое строение металлов и сплавов - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Кристаллическое строение металлов и сплавов

Кристаллическое строение металлов и сплавов

Все металлы и металлические сплавы — тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.

Металлы (если их получают обычным способом) представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких ( см), различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов.

В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами.

Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств:

высокими теплопроводностью и электрической проводимостью; положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления; с повышением температуры электрическое сопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладает сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление падает скачкообразно, практически до нуля);

термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;

хорошей отражательной способностью: металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском;

повышенной способностью к пластической деформации. Наличие этих свойств и характеризует так называемое металлическое состояние веществ.

Чистые металлы в обычном структурном состоянии обладают низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств, поэтому они применяются сравнительно редко. Наиболее широко используются сплавы. Сплавы получают сплавлением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Они обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов.

В металловедении широко используются понятия «система», «фаза», «структура». Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия у называют системой. Фазой называют однородные

Рис. 1. Макроструктура излома слитка цинка (а), слитка меди (б) и деформированной стали (в)

(гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных частей поверхностями раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении в 30—40 раз) и микроструктуру (строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях).

Макроструктуру исследуют на специальных макрошлифах (темплетах). Для приготовления макрошлифа образцы вырезают из крупных заготовок (слитков, поковок и т. д.) или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами.

При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом металле (рис. 1, а, б); волокна (деформированные

Рис. 2. Микроструктура железа (а) и стали с 0,8 % С (б, в): а – Х250; б – X 300; в — электронная микрофотография,

кристаллиты) в поковках и штамповых заготовках (рис. 1, в), дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т. д.) химическую неоднородность сплава, вызванную процессом кристаллизации или созданную термической или химико-термичес-кой (цементация, азотирование и т. д.) обработкой.

Микроструктура показывает (рис. 2, а, б) размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их форму и размеры.

Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют микрошлиф, т. е. небольшой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами.

Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе — оптическом или электронном.

Разрешающая способность оптического микроскопа, т. е. минимальная величина объекта (детали структуры), которая различима с его помощью, не превышает 0,2 мкм (200 нм). Полезное увеличение в оптическом микроскопе достигает примерно 2000 раз. Применение больших увеличений бесполезно, так как новые, более мелкие детали структуры не становятся видимыми, меняется только масштаб изображения, поскольку разрешающая способность, определяемая волновой природой света, не меняется.

Разрешающая способность электронных микроскопов значительно выше оптических. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны ( нм), дает возможность различать детали изучаемого объекта размером до 0,2-0,5 нм.

Рис. 3. Микростроение вкутризеренного вязкого излома, X 1000

Наибольшее распространение нашли просвечивающие электронные микроскопы ПЭМ, в которых поток электронов проходит через изучаемый объект, представляющий собой тонкую фольгу. Получаемое изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте.

ПЭМ позволяет подробно изучать субструктуру металла. Одно из наиболее важных достижений электронной микроскопии — возможность прямого наблюдения дефектов кристаллической структуры. На рис. 2, в показана микроструктура, полученная с помощью электронного микроскопа.

Очень большое применение получили растровые электронные микроскопы (РЭМ), в которых изображение создается благодаря вторичцой эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов.

Растровый микроскоп позволяет изучать непосредственно поверхность металла, однако он имеет меньшую разрешающую способность (25—30 нм), чем просвечивающий электронный микроскоп.

В последние годы для оценки металлургического качества металла, закономерностей процесса разрушения, влияния структурных, технологических и других факторов на разрушение широко применяют методы фрактографии — области знания о строении изломов.

Под изломом понимают поверхность, образующуюся в результате разрушения металла. Вид излома определяется условиями нагружения, кристаллографическим строением и микроструктурой металла (сплава), формируемой технологией его выплавки, обработки давлением, термической обработки, температурой и средой, в которых работает конструкция.

Изломы изучают на макро- и микроуровне (при увеличениях до 50 тыс. крат и выше). Метод визуального изучения изломов, а также с помощью светового микроскопа при небольших увеличениях называется фрактографией. Исследование особенностей тонкой структуры изломов под электронным или растровым микроскопом носит название микрофрактографии (рис. 3).

Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на дифракции

рентгеновских лучей с очень малой длиной волны (0,02-0,2 нм) рядами атомов в кристаллическом теле. Для этой цели кроме рентгеновских лучей используют электроны и нейтроны, которые также дают дифракционные картины при взаимодействии с ионами (атомами) металла.

В металловедении все шире применяют метод рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) для изучения распределения примесей и специально введенных элементов в сплавах. Метод РСМА определяет химический состав микрообластей на металлографическом шлифе, при этом достигается разрешение порядка микрометров.

Для изучения металлов и сплавов нередко используют физические методы исследования (тепловые, объемные, электрические, магнитные). В основу этих исследований положены взаимосвязи между изменениями физических свойств и процессами, происходящими в металлах и сплавах при их обработке или в результате тех или иных воздействий (термических, механических и др.). Наиболее часто применяют дифференциальный термический анализ (построение кривых охлаждения в координатах температура— время) и дилатометрический методу основанный на изменении объема при фазовых превращениях. Для ферромагнитных материалов применяется магнитный анализ.

Кристаллическое строение металлов и сплавов

ГЛАВА I. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

§ 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

Типы кристаллических решеток. Твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Кристаллические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем переходят в жидкое состояние.
Все металлы и их сплавы – тела кристаллические. Металлами называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов также способность свариваться. Не потеряло своего научного значения определение металлов, данное более 200 лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым: «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно». Для металлов характерно то, что, вступая в химические реакции с элементами, являющимися неметаллами, они отдают последним свои внешние, валентные электроны. Это объясняется тем, что у атомов металла внешние электроны непрочно связаны с его ядром. Металлы имеют на наружных оболочках всего 1-2 электрона, тогда как у неметаллов таких электронов много (5-8).
Чистые химические элементы металлов (например, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-металлов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называют металлическими сплавами. Простые вещества, образующие сплав, называют компонентами сплава.
Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из которых построен кристалл, расположены в определенном геометрическом порядке, который периодически повторяется в пространстве. В отличие от кристаллов в аморфных телах (стекло, пластмассы) атомы располагаются в пространстве беспорядочно, хаотично.
Формирование кристаллической решетки в металле происходит следующим образом. При переходе металла из жидкого в твердое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают. Характер взаимодействия атомов определяется строением их внешних электронных оболочек. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими атомами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т. д. Происходит образование свободных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам. Таким образом, в твердом состоянии металл представляет собой структуру, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых свободными электронами.
Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и свободными электронами возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую связь между частицами металла называют металлической.
Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Ионы находятся на таком расстоянии один от другого, при котором потенциальная энергия взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Такое расположение ионов обеспечивается взаимодействием их с валентными электронами, которые связывают ионы в кристаллической решетке.
Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом его объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой (рис. 1). Кристаллическая решетка характеризуется ее параметрами, например длиной ребра куба для ОЦК и ГЦК, которая составляет для разных металлов 2,8610 -8 см.

Дефекты в кристаллах. В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные.
Атомы совершают колебательные движения возле узлов решетки, и с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинаковой амплитудой. Однако отдельные атомы обладают энергией, значительно большей средней энергии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 2, а). На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением температуры количество вакансий увеличивается и они чаще перемещаются из одного узла в другой. В диффузионных процессах, протекающих в металлах, вакансии играют определяющую роль. К точечным дефектам относят также атом, внедренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 2, б), и замещенный атом, когда место атома одного металла замещается в кристаллической решетке другим, чужеродным атомом. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки.
Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристаллической решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лишняя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направлению сдвига, называется краевой, или линейной, дислокацией (рис. 2, в), длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Шириной дислокации считают расстояние от центра дефекта до места решетки без искажения. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний.
Кристаллическая решетка в зоне дислокаций упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состояния. Для дислокаций характерна их легкая подвижность. Это объясняется тем, что атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов (см. гл. 1, § 2), а также при пластической деформации, термической обработке и других процессах.
Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кристаллами (рис. 2, г). На границе раздела атомы кристалла расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше нарушает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на десятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации дефектов. Дефекты в кристаллах существенно влияют на свойства металлов.

Читайте также:  Сталь 3пс характеристики применение

Анизотропия кристаллов. Неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кристаллов обусловлена различием плотности упаковки атомов в решетке в различных направлениях. Все кристаллы анизотропны, а аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т. е. имеют одинаковую плотность атомов в различных направлениях.
Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов – одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы имеют правильную кристаллическую огранку (в форме естественных многогранников), анизотропны по механическим, электрическим и другим физическим свойствам. Так, для монокристалла меди предел прочности σв изменяется от 120 до 360 МПа в зависимости от направления приложения нагрузки.
Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т. е. состоят из множества мелких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами (или зернами). В каждом зерне поликристалла наблюдается анизотропия. Однако вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки кристаллографических плоскостей в различных зернах поликристалл может иметь одинаковые свойства по разным направлениям и не обнаруживать анизотропию (когда размеры зерен значительно меньше размеров поликристалла и количество их весьма велико). Это обстоятельство во многих случаях позволяет рассматривать поликристаллическое тело как подобное изотропному, несмотря на анизотропию свойств отдельных составляющих его зерен.

Кристаллизация, строение и структура металлов

Главнейшей особенностью строения металлов является упорядоченность расположения атомов, характерная для всех кристаллических тел. М.В. Ломоносов впервые указал, что строение металлов (медь и золото) сходно со строением кристаллов солей. Он писал, что металл это «светлое тело, которое ковать можно». Данное Ломоносовым определение в настоящее время дополняется указанием на высокую теплопроводность металлов, особенно чистых.

Кристаллическое строение является причиной того, что металлы обладают рядом свойств, которых не имеют аморфные тела.

В телах, имеющих равномерное расположение атомов, можно всегда мысленно выделить наименьший комплекс атомов, размещение которых в пространстве одинаково и многократно повторяется и характеризует расположение атомов данного металла. Такой комплекс атомов называется элементарной кристаллической решеткой. Большая часть металлов имеет решетки: кубические объемноцентрированные (рис. 28, а), кубические гранецентрированные (рис. 28, б) и гексагональные (рис. 28, в). Наиболее плотными, содержащими наибольшее количество атомов на один и тот же объем, являются металлы с гранецентрированной кубической и с гексагональной решеткой.

Междуатомные расстояния (периоды решетки) весьма малы и не превышают нескольких ангстремов, поэтому расположение атомов в металле (тип решетки) можно установить только с помощью рентгеноструктурного анализа.

Большинство атомов каждой элементарной решетки одновременно принадлежит нескольким соседним элементарным решеткам. В частности, элементарной объемноцентрированной решетке принадлежит целиком только центральный атом, остальные же атомы каждого узла, расположенные в вершинах куба, принадлежат одновременно восьми элементарным решеткам. Таким образом, на все восемь узлов решетки приходится один полный атом, т. е. на одну элементарную решетку объемноцентрированного куба приходится только два полных атома, хотя она построена из девяти атомов. Соответственно на элементарную решетку гранецентрированного куба приходится четыре атома, поскольку на восемь узлов решетки приходится один атом, и на шесть граней три атома.

Большое значение имеет также координационное число, характеризующее число атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии от данного атома. Для решетки объемноцентрированного куба оно равно 8, а для решетки гранецентрированного куба 12.

В жидких металлах и сплавах, нагретых значительно выше температуры плавления, атомы расположены неупорядоченно. По мере приближения к температуре затвердения атомы начинают получать более ориентированное положение, приближающееся к правильному расположению их в твердом металле. Затвердение металла характеризуется образованием кристаллов. Концом затвердения считается исчезновение жидкой фазы.

Из законов термодинамики известно, что все самопроизвольные процессы протекают с уменьшением свободной энергии. Этому же закону подчиняется и кристаллизация металлов. При определенной для каждого сплава температуре затвердения (плавления) Ts система может находиться как в твердом, так и в жидком состоянии. При температурах выше Ts системе энергетически выгодно находиться в жидком состоянии, а при температуре ниже Ts — в твердом.

Движущей силой, заставляющей тела переходить из одного агрегатного состояния в другое, является разность свободных энергий. Однако при температуре Ts эта разность равна нулю, поэтому для начала кристаллизации необходимо некоторое переохлаждение AТ.

Степень переохлаждения (AT) характеризуется разностью температур между теоретической Ts и фактической температурой затвердевания Тф.

В процессе затвердевания происходит скрытое выделение тепла, компенсирующее отводимое тепло, вследствие чего на кривых охлаждения кристаллических веществ в отличие от аморфных тел есть горизонтальный участок (рис. 29).

Кристаллизация начинается с образования большого количества зародышей, которые становятся устойчивыми и приобретают способность к росту только при достижении критического размера.

Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения, тем больше разность свободных энергий и тем меньше критический размер зародышей.

Обычно зародыши растут в длину с большей скоростью, чем в ширину, образуя так называемые оси кристаллизации. От первых осей в перпендикулярных направлениях происходит рост новых осей. От этих новых осей, также в перпендикулярных направлениях, в свою очередь растут новые оси и т. д. Образовавшиеся ветви разветвляются и утолщаются, что приводит к их срастанию и образованию сплошного кристалла.

Такая кристаллизация называется дендритной, кристалл, заполненный не полностью, дендритом (рис. 30).

В процессе кристаллизации, пока жидкость окружает образовавшийся и еще растущий кристалл, последний имеет относительно правильную огранку. Однако и в этом случае кристаллы могут иметь вытянутую форму. Это наблюдается в том случае, когда в охлаждающейся жидкости отвод тепла совершается перпендикулярно стенкам формы; в этом же направлении более интенсивно растет образовавшийся кристалл.

По мере роста кристаллы начинают между собой соприкасаться, что мешает образованию правильной формы, поэтому после полного затвердевания их внешняя огранка приобретает случайный и неопределенный характер. Такие кристаллы называют зернами или кристаллитами, а сами металлические тела, состоящие из большого количества этих зерен, называют поликристаллическими.

Размеры зерен зависят от скорости образования зародышей (с. о. з.) и скорости роста зародышей (с. р. з.).

Как скорость образования зародышей, так и скорость их роста зависят от степени переохлаждения. Чем больше степень переохлаждения, тем больше образуется зародышей и тем меньше их рост и, следовательно, тем более мелкое зерно получает металл.

Ввиду специфического расположения атомов в кристалле, свойства каждого зерна или монокристалла (в отличие от аморфных тел) в различных кристаллографических направлениях неодинаковы, т. е. кристалл анизотропен.

Поскольку металлы и сплавы поликристалличны, ориентация зерен друг к другу случайна, анизотропия в значительной степени устраняется, т. е. металлы приобретают ложную изотропию (квазиизотропию).

Строение реальных сплавов может несколько отличаться от описанного выше. В металлах могут присутствовать примеси, влияющие на процесс кристаллизации и искажающие решетку. В некоторых узлах кристаллической решетки могут отсутствовать атомы; такие узлы, незаполненные атомами, называются вакансиями.

Весьма отличными от идеального строения являются границы зерна, где больше всего дефектов. Кроме того, при кристаллизации к границам оттесняются примеси, имеющие более низкую температуру плавления, чем основной металл.

Многие факторы, вызывающие дефекты, являются причиной мозаичности структуры, т. е. каждое зерно в отдельности состоит из отдельных блоков, повернутых относительно друг друга на небольшой угол, в то время как сами зерна друг к другу повернуты в любом направлении.

По способности каждого такого блока в кристалле рассеивать рентгеновы лучи когерентно в одной фазе эти блоки иногда еще называют о б л а с т я м и когерентного рассеяния.

Блочность кристаллов оказывает большое влияние на свойства металлов, в частности измельчение блоков, как правило, сопровождается повышением твердости и прочности и наоборот.

Большое влияние на свойства металлов оказывают и другие несовершенства кристаллической решетки. Уже упоминались точечные несовершенства такие, как внедрённые атомы и вакансии.

Весьма важными линейными несовершенствами являются дислокации — нарушения периодичности кристаллической решетки в виде лишних (или отсутствующих) атомных рядов и плоскостей. Линии дислокаций ограничивают области в кристалле, где скольжение уже произошло, от областей, где скольжение еще не происходило. Таким образом, процессы пластического деформирования тесно связаны с движением дислокаций в плоскости скольжения кристаллов.

Если получить кристалл, у которого отсутствовали бы дислокации, то пластическая деформация в таком кристалле была бы затруднена, т. е. он имел бы повышенную прочность. Такие кристаллы металлов в последнее время получены. Это так называемые «усы» диаметром в несколько микрон и длиной в несколько миллиметров. Их прочность действительно близка к теоретической и составляет для железа более 1000 кг/мм2.

В реальных металлах имеется значительное число несовершенств. При плотности дислокаций 10в5—10в7 1/см2 прочность наименьшая — отожженное состояние. Линии дислокаций образуют сетку, находящуюся преимущественно по границам блоков. Увеличение плотности дислокаций соответствует увеличению протяженности этих границ, т. е. измельчению блоков. При этом движение дислокаций будет затруднено в связи с пересечением их друг с другом. Прочность металлов будет возрастать. Такое увеличение плотности дислокаций, приводящее к упрочнению материала, можно получить путем механического наклепа и термической обработки. При сочетании термической и механической обработки удается довести плотность дислокаций до 10в11—10в12 1/см2, при этом прочность стали достигает 400—500 кг/мм2.

Читайте также:  Где взять хорошую сталь для ножа

Некоторые металлы (Fe, Sn) в твердом состоянии имеют в разных интервалах температур различные кристаллические решетки. Существование одного металла в нескольких кристаллических решетках называется полиморфизмом или аллотропией. Когда затвердевший сплав, имеющий определенное кристаллическое строение, достигает температур перехода в новое кристаллическое строение, происходит также образование зародышей и их рост подобно тому, как это происходит при переходе из жидкого в твердое состояние. Перестройка одного типа решетки в другой происходит также с тепловым эффектом и при постоянной температуре.

Многие свойства металлов, в том числе и механические, в значительной степени зависят от величины зерен. Сплавы с мелким зерном имеют большую пластичность и прочность. Как уже было указано раньше, мелкозернистое строение может быть получено при образовании большого количества центров кристаллизации (зародышей) и достигается быстрым охлаждением. Однако поскольку середина застывает значительно медленнее, чем поверхностные слои, в практических условиях бывает затруднительным быстро охлаждать застывший металл, особенно, если его отливают в большие формы.

В настоящее время разработаны условия, позволяющие регулировать величину и получать одинаковые и мелкие зерна во всей массе отливки. Этот способ называется модифицированием. Существо модифицирования заключается в том, что наряду с центрами кристаллизации, которые создаются самим металлом, в нем создаются дополнительные центры кристаллизации или поверхностей пленки, мешающие росту кристаллов.

Модифицирование осуществляется путем присадки в жидкий металл специальных веществ, получивших название модификаторов. В частности, при модифицировании цветных металлов пользуются специальными солями натрия, а при модифицировании стали пользуются раскислителями, продукты раскисления которых могут служить центрами кристаллизации. В последнем случае учитывается принцип структурного соответствия, согласно которому зародышем может быть вещество, структурно подобное кристаллизующейся фазе.

Введение

Большая часть (3/4) всех химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева – металлы. По своим свойствам они отличаются от неметаллов: сочетают высокую прочность и твердость с хорошей пластичностью, обладают литейными свойствами и возможностью механической обработки, хорошо проводят тепло и электричество, но плохо пропускают рентгеновские лучи и отражают световые волны. Эти свойства обуславливаются особенностями внутриатомного строения металлов.

Кристаллическое строение металлов

У металлов электроны на внешних оболочках имеют слабую связь с ядром, легко отрываются и могут свободно перемещаться между положительно заряженными ядрами. Следовательно, в металле положительно заряженные ионы окружены коллективизированными электронами. Так как эти электроны подвижны аналогично частицам газа, то используется термин «электронный газ».

Металлургический тип связи характерен тем, что нет непосредственного соединения атомов друг с другом, нет между ними прямой связи. Атомы в металлах размещаются закономерно, образуя кристаллическую решетку.

Кристаллическая решетка – это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают колебательные движения. В итоге образуются фигуры правильной геометрической формы – кристаллическая решетка (рис. 1).

Расстояния (а,b,с) между атомами, т.е. параметры кристаллической решетки, находятся в пределах 2… 6A (1A=10 -8 см). Каждый атом принадлежит 8 кристаллическим решеткам. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, свойства в различных направлениях одинаковы, а в кристаллических телах расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, поэтому различны и свойства. Тип кристаллической решетки (рис. 2) зависит от металла, температуры и давления. Это используется при термообработке металлов для упрочнения их.

Реальные металлы состоят из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве относительно друг друга. На границах зерен атомы кристаллов не имеют правильного расположения, здесь скапливаются примеси, дефекты и включения. Экспериментально установлено, что внутреннее кристаллическое строение зерен не является правильным. В решетках имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связь между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Имеются следующие несовершенства в кристаллических решетках:

  • а) Наличие вакансий, т. е. мест в решетке, не занятых атомами. Это происходит из-за смещения атомов от равновесного состояния. Число вакансий увеличивается с ростом температуры.
  • б) Дислоцированные атомы, т. е. атомы вышедшие из узла решетки и занявшие место в междоузлии.
  • в) Примесные атомы, т.е. в основном металле имеются чужеродные примеси. Например, в чугуне основными атомами являются атомы железа, а примесными – атомы углерода, которые или занимают место основного атома, или внедряются внутрь ячейки.

Поверхностные несовершенства, имеющие небольшую толщину при значительных размерах в двух других направлениях.

3. Линейные несовершенства (цепочки вакансий, дислокаций и т. д.). Линейные дефекты малы в двух направлениях и значительно большего размера в третьем.

Количество дефектов в металле оказывает существенное влияние на его прочность. На первом участке кривой (рис. 4) при минимуме дислокаций меньше возможностей для сдвига атомов по кристаллической решетке,поэтому будет максимум прочности металла (теоретическая, недостижимая прочность). Путем восстановления из хлористого или бромистого железа в лабораторных условиях выращивают «усы» кристаллов железа длиной до 10 см и диаметром 0,5 … 1 мкм, имеющие относительно высокую прочность на растяжение (бb = 1200 …1300 кгс / мм 2 ). Для сравнения, высокопрочная сталь имеет прочность всего 150 …200 кгс / мм 2 , т.е. на порядок ниже, а прочность железных «усов» примерно в 100 раз выше, чем у обычного железа (минимум на кривой).

Повышение прочности с увеличением плотности дислокаций выше их критического значения объясняется тем, что имеются не только параллельные, но и взаимопересекающиеся (объемные) дислокации. Они препятствуют взаимному перемещению металла и, как результат, приводят к увеличению прочности металла.

Все современные способы упрочнения металлов (легирование, закалка, прокатка, ковка, штамповка, волочение и т.д.) – это увеличение количества дефектов в металле. Наивысшая прочность, которую можно получить путем увеличения количества дефектов в металле, составляет около 1/3 от теоретически возможной (идеальной) прочности.

При нагреве и охлаждении (рис. 5) аморфных тел (смола, стекло, пластмассы) при переходе из жидкого в твердое состояние качественных изменений не происходит. В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично, как и в жидком, имеют только меньшую степень перемещения. Из рис 5 видим, что температура плавления Тпл равняется температуре кристаллизации Ткр, а переход из одного состояния в другое (из твердого в жидкое – точка Тпл,и из жидкого в твердое- точка Ткр) происходит скачкообразно.

По другому ведут себя металлы (рис. 6). На участке 1 – 2 происходит нагрев металла; кристаллическая решетка сохраняется, но атомы увеличивают амплитуду колебаний за счет поглощенной тепловой энергии. На горизонтальном участке 2 – 3 также подводится тепло, но температура Тпл не повышается, т.к. подводимое тепло целиком расходуется на разрушение кристаллической решетки. Атомы переходят в неупорядоченное (жидкое) состояние. После разрушения последнего участка кристаллов, после точки 3 начинается повышение температуры жидкого металла по линии 3-4.

При охлаждении (4-5) на горизонтальном участке 5-6 происходит кристаллизация, при которой выделяется тепло, поэтому процесс проходит при постоянной температуре Ткр. Кристаллизация металла происходит не при температуре плавления Тпл, а при некотором переохлаждении t, величина которая зависит от природы металла, наличия примесей и от скорости охлаждения.

Кристаллизация начинается с того, что при понижении температуры до значения Ткр начинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации (зародышами). При дальнейшем уменьшении энергии металла происходит рост кристаллов и в то же время в жидкости возникают новые центры кристаллизации, т.е. процесс кристаллизации состоит из двух одновременно происходящих процессов:зарождение новых центров кристаллов и роста кристаллов из ранее образованных центров.

Скорости кристаллизации и числа центров в зависимости от t изменяются по закону нормального распределения (рис.7).

Влияние степени переохлаждения t на процесс кристаллизации хорошо видно в структуре слитка (рис. 8). Полученная в конверторе или в мартене, сталь (0,5…3 тн) заливается в изложницу. Большой перепад температур (свыше 1500 С) будет между расплавленным металлом и атмосферой по высоте и ширине слитка. В результате на поверхности слитка, т. е. там, где имеется наибольший перепад температур, будет мелкозернистая структура, а в центре слитка при минимальном перепаде температур возникнут при кристаллизации крупные, а между ними -столбчатые кристаллы.

Российские ученые и практики сделали много открытий в металловедении и технологии обработки металлов. Так, основы научной металлургии и геологии заложил еще Михаил Васильевич Ломоносов,об этом свидетельствует написанный им в 1763 году труд «Первые основания металлургии или рудных дел».

Дмитрий Иванович Менделеев систематизировал в периодической таблице химические элементы, что способствовало развитию многих вопросов металловедения (из известных в то время 63 химических элемента 50 были металлами). Родоначальником металлургии является и русский горный инженер Павел Петрович Аносов (1797…1851 г.), работающий в городе Златоусте на Урале. Он впервые применил световой микроскоп для изучения микроструктур металлов и нашел секрет булатной стали, заложил основы легирования стали (исследовал добавки золота, платины, хрома, марганца и других элементов к стали).

Дмитрий Константинович Чернов (1839-1921 г.) – основоположник теории и строения стального слитка. Работал на Обуховском заводе г. Санкт-Петербурга.

5.1. Кристаллическое строение металлов и сплавов

Все физико-механические и технологические свойства металлов определяются видом металла и его кристаллическим строением. В твёрдом состоянии металлы и их сплавы в отличие от аморфных тел имеют кристаллическое внутреннее строение. Это означает, что атомы металлов располагаются в пространстве закономерно, в строго определённом порядке, образуя правильные геометрические формы, так называемые атомно-кристаллические решётки. В аморфных веществах (смола, стекло, битум, полимеры) атомы расположены беспорядочно. При нагревании аморфные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние в широком интервале температур.

Кристаллическая решётка металла состоит из воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения атомов в пространстве. Эти точки называются узлами кристаллической решётки. Пространственные фигуры, определяемые наименьшим количеством атомов и дающие полное представление об атомной структуре металла, называют элементарной кристаллической ячейкой. Кристаллические решётки различных металлов различаются по форме и размеру элементарных ячеек. Большинство технических металлов образуют кубическую объемно-центрированную (рис.16,а), кубическую гранецентрированную (рис.16,б) или гексагональную (рис.16,в) кристаллические решётки, отличающиеся плотной упаковкой атомов.

Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называется периодом решётки или её параметром. На рис.16 параметры решётки обозначены а и с. Период решётки выражается в нанометрах (1нм = 10-9см). Для большинства металлов период решётки находится в пределах 0,2…0,7 нм. В кубическом сантиметре объёма кристаллического тела содержится около 1022 атомов.

Атомы металлов в узлах кристаллической решётки находятся в постоянных колебательных движениях около положения устойчивого равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, что вызывает расширение кристаллов, а при некоторой температуре колебание частиц усиливается настолько, что кристаллическая решётка разрушается, т.е. металл расплавляется и переходит в жидкое состояние.

Рассматривая кристаллическую решётку металла, легко заметить, что различные кристаллографические плоскости заполнены атомами с различной плотностью. Это обусловливает различие физико-механических свойств отдельно взятого металла (монокристалла) в различных направлениях. Это свойство кристаллов называют анизотропностью. Например, при испытаниях различных образцов из кристалла меди относительное удлинение изменяется от 10 до 55%, а предел прочности – от 140 до 350 МПа.

Читайте также:  Как правильно закалить сталь в домашних условиях

Однако реальные металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множества кристаллов произвольной ориентировки. В результате свойства такого поликристаллического тела будут приблизительно одинаковы во всех направлениях.

Ярко выраженной анизотропией механических свойств обладает, например, древесина, у которой свойства вдоль и поперёк волокон резко отличаются. Хотя те же свойства в местах переплетения волокон (в сучках) приблизительно одинаковы.

Аморфные тела всегда изотропны, т.е. все их свойства одинаковы во всех направлениях.

Переход металла из жидкого состояния в твёрдое называется кристаллизацией. Русский учёный-металлург Д. И. Чернов (1839-1921) установил, что процесс кристаллизации начинается с зарождения центров (зародышей) кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров. В обычных условиях центрами кристаллизации могут быть различные примеси и включения, попадающие в металл в процессе выплавки. В начале кристаллизации, пока растущий кристалл окружён жидким металлом, он ориентируется и растёт свободно и имеет геометрически правильную форму. Разветвлённые кристаллы, образующиеся на ранней стадии кристаллизации, имеют древовидную форму и называются дендритными кристаллами, или дендритами (рис.17). В условиях медленного охлаждения дендриты могут вырасти достаточно больших размеров. В усадочной раковине 100-тонного слитка один из учеников Д. И. Чернова обнаружил дендрит длиной в 39 см. С повышением скорости охлаждения при кристаллизации размеры дендрита уменьшаются.

На более поздней стадии кристаллизации наблюдается столкновение и срастание растущих кристаллов, при этом их правильная форма нарушается. В результате затвердевший металл представляет собой поликристаллический конгломерат с различно ориентированными один по отношению к другому кристаллами неправильной формы, которые принято называть кристаллитами или зёрнами.

Размер зерна оказывает существенное влияние на механические свойства металла. Чем меньше зерно, тем лучше комплекс механических свойств и более благоприятное сочетание прочностных и пластических свойств. На размере зерна сказывается главным образом скорость охлаждения и число центров кристаллизации. Чем медленнее охлаждается расплавленный металл, тем крупнее зерно, следовательно, хуже свойства металла.

Избыточное количество активных центров кристаллизации можно получить путём воздействия на охлаждающийся расплав различными методами, например, ультразвуком или путём введения в жидкий металл небольшого количества (сотых долей процента) специальных добавок, называемых модификаторами. Полученные подобным образом сплавы имеют предельно мелкую кристаллическую структуру, в них не обнаруживается зёрен с древовидным очертанием ветвей. Зёрна с такой структурой можно получить и за счёт сверхбыстрой скорости охлаждения. Эти зёрна стали принято называть недендритными. Металлы и сплавы с принципиально новой недендритной структурой обладают высокой пластичностью, они легко поддаются обработке давлением, а изготовленные из них детали имеют повышенную надёжность и долговечность.

Реальные моно- и поликристаллы не обладают идеальной правильностью расположения атомов по всему объёму. В них встречаются различного рода структурные несовершенства, или дефекты, наибольшее количество которых наблюдаются по границам раздела зёрен. Поэтому прочность реальных металлов и сплавов значительно ниже теоретических значений прочности, рассчитанных с учётом межатомных сил металлических связей.

В последнее время внимание материаловедов привлекают так называемые металлические усы, представляющие собой бездефектные нитевидные монокристаллы всего несколько микронов толщиной. Физические и механические свойства таких усов в отдельных случаях приближаются к теоретически рассчитанным значениям.

Процесс кристаллизации изображается графически в координатах температура-время (рис.18). В отличие от аморфных тел, которые при понижении температуры затвердевают постепенно (рис.18,а), металлы в условиях сравнительно медленного охлаждения кристаллизуются при строго постоянной температуре Ткр (рис.18,б). Именно при этой температуре происходит изменение внутреннего строения металла: вместо беспорядочного расположения атомов в жидком металле происходит их упорядочение в соответствии с типом кристаллической решётки. Температура, при которой меняется внутреннее строение охлаждаемого и нагреваемого тела, называется критической температурой. У некоторых металлов после затвердевания могут происходить изменения кристаллической решётки. Температуры, соответствующие каким-либо превращениям в металле, называются также критическими точками. У аморфных тел внутренние превращения отсутствуют и поэтому кривая охлаждения таких материалов (рис.18,а) опускается плавно и не имеет критических точек.

Следует отметить, что действительная температура кристаллизации всегда несколько ниже теоретической. Разница между этими температурами называется степенью переохлаждения, которая зависит от скорости охлаждения, и чем быстрее охлаждается металл, тем ниже температура его кристаллизации. Наличие горизонтальной площадки на кривых охлаждения чистых металлов объясняется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации, которая и компенсирует имеющий место теплоотвод.

У некоторых металлов в твёрдом состоянии в зависимости от температуры или давления наблюдается изменение типа или параметров кристаллической решётки. Это явление называется аллотропией или полиморфизмом. Различные кристаллические структуры одного и того же металла называются полиморфными или аллотропическими модификациями. Те небольшие давления, которые используются обычно при обработке металлов, не приводят к полиморфным превращениям. Поэтому наибольший интерес для практических целей имеет главным образом температурная аллотропия. Температурным полиморфизмом обладают, например, железо, титан, олово, марганец и некоторые другие элементы.

Вследствие изменения структуры полиморфные превращения сопровождаются изменением механических, физических и химических свойств металла. Это обстоятельство широко используется в технике. Например, термическая и химико-термическая обработка стали основана на способности различных модификаций железа растворять углерод и легирующие элементы. Эти вопросы будут рассмотрены позже в соответствующих разделах курса.

Аллотропическую модификацию, устойчивую при самой низкой температуре, принято обозначать ?, при более высокой – ?, затем – ? и т.д., например Fe?, Fe?. Переход металла из одной аллотропической формы в другую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре и сопровождается или выделением тепла, если превращение протекает при охлаждении, или поглощением тепла в случае нагрева.

Некоторые металлы, например, медь, никель, серебро, алюминий, молибден не обладают полиморфизмом и их кристаллические решётки сохраняются во всём температурном диапазоне.

Долгое время считалось, что для металлов получение аморфного состояния невозможно, т.к. их расплавы мало склонны к переохлаждению подобно обычному стеклу. Однако при сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния (>106 0С/с) диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой в научной литературе получили название аморфные сплавы или металлические стёкла.

Аморфное состояние металла обеспечивает ему свойства, значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической структурой. Так, металлы с аморфной структурой удачно сочетают высокую прочность, твёрдость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью.

Сверхвысокие скорости охлаждения можно реализовать, например, такими способами, как распыление мелких капель металла на холодную металлическую подложку, охлаждение струй металла газом или жидкостью с высокой охлаждающей способностью, центрифугированием капель или струй и др.

Тонкий аморфизированный слой образуется также при обработке поверхности металла лучом лазера.

Металлические материалы с аморфной структурой можно получить не только при затвердевании из жидкого состояния, но и путём сверхбыстрого охлаждения из газовой среды (из парообразного состояния).

Естественно, что аморфное состояние неустойчиво и нагрев металла, когда тепловая подвижность атомов достигает определённого предела, приводит к образованию кристаллов. Смесь выделившихся при этом кристаллов и аморфной основы даёт новую структуру с уникальными физико-механическими свойствами. Исследования в этой области интенсивно ведутся в три последних десятилетия.

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Материалы, применяемые в современных конструкциях, помимо высоких прочностных характеристик должны обладать комплексом таких свойств, как повышенная коррозионная стойкость, жаропрочность, теплопроводность и электропроводимость, тугоплавкость, а также способностью сохранять эти свойства в условиях длительной работы под нагрузками.

Технически чистые металлы (99,9 % основного металла), как правило, характеризуются низкими прочностными свойствами, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы. Сплавы на основе железа в зависимости от содержания в них углерода называют сталями или чугунами; на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющих малую плотность, – легкими цветными сплавами; на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута и других металлов – легкоплавкими цветными сплавами; на основе меди, свинца, олова и др. – тяжелыми цветными сплавами; на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др. – тугоплавкими цветными сплавами.

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Большинство металлов в твердом состоянии имеет кристаллическое строение: атомы расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки (рис. 1.1).

Элементарная ячейка кристаллической решетки – это минимальный по объему параллелепипед, перемещением которого вдоль его ребер можно воспроизвести всю кристаллическую решетку.

Для металлов характерны кристаллические решетки трех видов: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), в которой атомы расположены по вершинам элементарной ячейки и один в ее центре (W, Mo, V, Nb, Fe-α, Cr, К, Na, Mn-α и др., рис. 1.1, а); кубическая гранецентриро-ванная (ГЦК), в которой атомы расположены по вершинам элементарной ячейки и в центрах ее граней (Си, Ni, Fe-γ, Ag, Al, Pt, Са и др., рис. 1.1, б); гексагональная плотноупакованная (ГПУ), представляющая собой шестигранную призму, в которой атомы расположены в три слоя (Mg, La, Ti, Cd, Os, Ru и др.).

Расстояние между центрами ближайших атомов называется периодом или параметром решетки и измеряется в нанометрах. Параметр кубических типов решеток а находится в пределах 0,286 . 0,607 нм, гексагональных – а – в пределах 0,228 . 0,398 нм и с – 0,357 . 0,652 нм (см. рис. 1.1).

С повышением температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают разные кристаллические решетки, что всегда приводит к изменению их физико-химических свойств.

Рис. 1.1. Схемы кристаллических решеток: а-объемно-центрированная кубическая; б- гранецентрированная кубическая; в-гексагональная плогноупакованная

Элементарные частицы в кристаллической решетке находятся во взаимодействии, определяемом их электронным строением. От характера этого взаимодействия зависят электрические, магнитные, тепловые и оптические свойства материала, его температура плавления и испарения, модуль упругости и другие свойства.

Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток при критических температурах называется полиморфными превращениями. Полиморфные модификации обозначают греческими буквами α, β, γ и другими, которые в виде индекса добавляют к символу элемента. Полиморфную модификацию при самой низкой температуре обозначают буквой α, при более высокой β и т.д.

Всем кристаллам присуща анизотропия, т.е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными расстояниями между атомами в кристаллической решетке. Наиболее сильно анизотропия выражена у металлов, имеющих асимметричное кристаллическое строение. В таких кристаллах в зависимости от направления существенно изменяются показатели физических свойств, прочностные характеристики, модуль упругости, термический коэффициент расширения, коэффициенты теплопроводности и электропроводимости, показатель светового преломления и др. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свойства как поверхностное натяжение, электронные потенциалы, адсорбционная способность, химическая активность существенно различны у различных граней кристаллов.

Дата добавления: 2016-10-07 ; просмотров: 4020 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector