Будова кристалів металу

Конспект лекцій складається з п'яти розділів дисципліни «Матеріалознавство». Перший і другий розділи присвячені кристалічному будовою металів і опису їх основних властивостей. У третьому розділі розглядається теорія сплавів, причому основна увага приділена сплавів заліза з вуглецем, розібрана діаграма станів системи «залізо - цементит». У четвертому розділі наводяться класифікація, маркування і застосування вуглецевих сталей і сірих чавунів. У п'ятому розділі коротко розглянуті основні положення термічної обробки, пов'язані з нагріванням і охолодженням стали. Дано визначення основних операцій термообробки: відпалу, нормалізації, загартування і відпустки, вказані їх призначення і режими проведення.

Призначений для студентів, які вивчають дисципліну «Матеріалознавство».

Бібліогр. 9 назв. Мал. 30.

Рецензенти: доктор техн. наук, професор А. П. Моргунов;

доктор техн. наук, професор А. В. Бородін.

Ó Маріуполь держ. університет

Матеріалознавство вивчає залежність між складом, будовою і властивостями конструкційних матеріалів. Крім металів і сплавів в програму цієї дисципліни входить вивчення полімерних, електричних та інших матеріалів.

Залізничний транспорт, транспортне машинобудування та транспортне будівництво є найбільшими споживачами матеріалів (в першу чергу металів і сплавів), тому основними питаннями «Матеріалознавства» залишаються вивчення залежності між складом, будовою, властивостями і застосуванням металів і сплавів.

Матеріал конспекту поділений на п'ять розділів. У першому розглянуті коротка класифікація металів і закони їх кристалізації. Наведено типи кристалічних решіток і будова кристалів. У другому розділі вказані основні властивості металів. Головну увагу приділено механічними властивостями. У третьому розділі розглянуті типи металевих сплавів. Виконано розбір діаграми станів залізовуглецевих сплавів з характеристикою структури в кожній області, вказані критичні точки сталей. У четвертому розділі дано класифікація, маркування і застосування вуглецевих сталей і чавунів. Розділ п'ятий присвячений термічній обробці стали. Коротко розглянуті перетворення в сталі при нагріванні і охолодженні з характеристикою утворюються структур. Вказані призначення і режими проведення основних операцій термічної обробки: відпалу, нормалізації, загартування і відпустки.

При вивченні дисципліни «Матеріалознавство» необхідно засвоїти велику кількість спеціальних термінів і визначень, а на її вивчення в нашому вузі за існуючими навчальними планами відводиться один семестр. Обсяг інформації в навчальній літературі значний і не вкладається в рамки годин аудиторних занять. Допомогти студентам, що вивчають «Матеріалознавство», розібратися в великому обсязі нової для них інформації і призначений даний конспект лекцій.

Метали - це хімічні елементи, відмітними ознаками яких є непрозорість, специфічний блиск, електро- і теплопровідність, хороша гнучкість. Всі метали поділяються на дві великі групи - чорні і кольорові. Чорні метали мають велику щільність, високу температуру плавлення, відносно високу твердість. Основним представником цієї групи є залізо.

Залізні метали: залізо, кобальт, нікель (ферромагнетики) і марганець. Кобальт, нікель, марганець часто застосовують в якості добавок (легуючих елементів) до сплавів заліза (сталей). До групи чорних металів відносяться також уранові, рідкоземельні (РЗМ) і тугоплавкі температура плавлення яких вище, ніж у заліза, - +1539 ° С.

Кольорові метали зазвичай мають характерний колір, велику пластичність, малу твердість, відносно низьку температуру плавлення. Найбільш типовими кольоровими металами є мідь і алюміній. Кольорові метали поділяються на легкі - з малою щільністю (менше 3 г / см 3): магній, берилій, алюміній; легкоплавкі: цинк, олово, свинець, вісмут, сурма і т. п. температура їх плавлення - менше 1000 ° С. До цієї ж групи належать і благородні метали: срібло, золото, платина, паладій, іридій, осмій і ін.

Часто під словом «метал» розуміють не тільки чистий хімічний елемент, але і сплав, що складається з хімічного елемента - металу з іншим металом або неметаллом. Сплави мають різноманітними властивостями, яких немає у чистих металів. Вхідні в сплав хімічні елементи називаються компонентами сплаву. Більшість сплавів отримують сплавом компонентів в рідкому стані. Металокерамічні сплави отримують шляхом спікання порошків металів (наприклад, порошковий дюралюмин Д16П).

Метал - тверде полікристалічне тіло, він складається з кристалів різної форми і величини. Після закінчення процесу плавки рідкий метал з печі випускають в ківш. З ковша метал розливають по изложницам, де він кристалізується - переходить в твердий стан, остигає, утворюючи злиток (п'ять, вісім, десять тонн і більше).

по Чернову; б - схема кристалізації злитка; дендрити: Чернова (в),

на поверхні сурми (г) і алюмінію (д)

Мал. 3. Мікроструктура доевтектоїдних стали:

а - грубозерниста; б - дрібнозернистий

Розмір кристалів металу багато в чому визначає його властивості міцності: чим дрібніше кристали, тим вище опір металу ударним і циклічних навантажень. Отже, в процесі кристалізації два фактори визначають будову металу: число центрів кристалізації і швидкість росту кристалів з цих центрів.

Простежимо за зміною температури металу при охолодженні рідини через рівні проміжки часу (рис. 4). Спочатку температура рідкого металу знижується рівномірно в залежності від швидкості охолодження V1. V2. V3. Потім зниження температури припиняється і на кривій охолодження з'являється горизонтальна ділянка (майданчик). В цей час відведення тепла компенсується виділенням прихованої теплоти кристалізації і метал переходить в твердий стан (утворюються і ростуть кристали). Після закінчення кристалізації температура знову поступово знижується, метал охолоджується в твердому стані.

При теоретичної температурі кристалізації (температури плавлення) рідкий метал і тверді кристали можуть існувати одночасно і нескінченно довго. Отже, кристалізація може відбуватися тільки при певному переохолодженні металу нижче теоретичної (рівноважної) температури. Різниця між теоретичним і фактичним значеннями температури кристалізації металу називається ступенем переохолодження:

де Тпл - теоретична (рівноважна) температура кристалізації (плавлення) металу;

Тк - фактична температура кристалізації даного металу.

Ступінь переохолодження металу залежить від швидкості охолодження V1. V2. V3 (див. Рис. 4).

Швидкості охолодження V1 відповідає мала ступінь переохолодження DТ1. Охолодження розплаву зі швидкістю V2 викликає збільшення ступеня переохолодження DТ2. а велика швидкість охолодження V3 призведе до збільшення ступеня переохолодження DТ3. і кристалізація відбуватиметься при більш низькій температурі. У підсумку це позначиться на факторах процесу кристалізації:

де ЧЦК - число центрів кристалізації;

СРК - швидкість росту кристалів з цих центрів.

Однак не завжди є можливість регулювати швидкість охолодження рідкого металу. Методом отримання дрібних кристалів при затвердінні металу є створення штучних центрів кристалізації. Для цього в розплавлений метал вводять спеціальні речовини, звані модифікаторами. Процес штучного регулювання кількості і розмірів кристалів називається модифицированием.

Будова кристалів металу

Всі металеві тіла кристалічні. Їх атоми в кристалах мають певне, закономірне розташування в просторі. Атоми складаються з позитивно заряджених іонів і негативно заряджених електронів. Електрони у металів слабо пов'язані з ядром і можуть легко переходити від одного іона до іншого. Цим пояснюється висока електро- і теплопровідність металів.

Уявні лінії, проведені через центри атомів (позитивно заряджених іонів), утворюють так звану кристалографічну площину. Багаторазове повторення кристалографічних площин, розташованих паралельно, утворює просторову кристалічну решітку (рис. 5). Атоми в вузлах кристалічної решітки коливаються з певними амплітудою і частотою і знаходяться під дією сил взаємного тяжіння і відштовхування. Розміри кристалічної решітки (відстані між центрами сусідніх атомів) називаються параметрами і вимірюються в ангстремах - Å (1Å = 1'10 -8 см) або в кілоіксах - КХ (1кХ = 1,00202Å), Або в нанометрах - нм (1нм = 1'10 -9 см = 0,1 Å).

Прагнення атомів металів зайняти місця, найбільш близькі один до одного, призводить до утворення трьох типів кристалічних решіток: кубічної об'ємно центрованої (ОЦК), кубічної гранецентрированной (ГЦК) і

гексагональної плотноупакованной (ГПУ) (рис. 5).

Мал. 5. Схема розташування атомів в металі: а - в площині;

б - в просторі; кубічні решітки металів: об'ємно

центрований куб (в) і осередок його кристалічної решітки (г);

гранецентрированний куб (д) і осередок його кристалічної решітки (е);

елементарні осередки: об'ємно центрованої кубічної решітки (ж);

гранецентрированной кубічної решітки (з); плотноупакованной

кубічної решітки (і)

В осередку решітки кубічної об'ємно центрованої атоми розташовані у вершинах і в центрі куба; такі грати мають, наприклад, хром, ванадій, вольфрам і ін. В осередку кубічної гранецентрированной решітки атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані куба; такі грати мають алюміній, нікель, свинець і ін. В решітці гексагональної плотноупакованной атоми розташовані у вершинах шестикутних підстав призми, в центрах цих підстав і всередині призми; такі грати мають магній, титан, цинк і ін.

З викладеного вище зрозуміло, що характерні ознаки металів обумовлені їх внутрішньою будовою (структурою). Геометрична правильність розташування атомів в кристалічній решітці надає їм особливості, яких немає у аморфних тіл (смола, скло).

У площинах і напрямках кристалічної решітки атоми розташовані з різними щільністю, відстанню один від одного, і тому властивості кристалів (фізичні, хімічні, механічні) в різних напрямках різні (рис. 6). Така відмінність властивостей називається анізотропією. Всі кристали анізотропні. У металах, що складаються з великої кількості по-різному орієнтованих дрібних анізотропних кристалів, властивості у всіх напрямках однакові (усереднені). Якщо в структурі металу створюється однакова орієнтування всіх кристалів, то з'являється анізотропія всього металу.

Мал. 6. Кристалографічні площині і напрямки

в об'ємно центрованої кубічної решітці: а - в напрямку

граней (чотири атома); по діагоналі: б - три, в - чотири атома

Насправді реальний кристал на відміну від ідеального уявлення про його кристалічній решітці має структурні недосконалості (дефекти): точкові, лінійні, поверхневі.

Точкові недосконалості. Як вказувалося, атоми знаходяться в коливальному русі в вузлах решітки. Чим вище температура, тим більше амплітуда цих коливань. Хоча атоми в кристалічній решітці мають однакову (середньої) енергією і значення їх амплітуди коливань однакові, завжди є окремі атоми, у яких і енергія, і амплітуда більше, ніж у інших. Такі атоми можуть переміщатися з одного вузла в інший, що виявився вільним.

Найбільш легко переміщуються атоми поверхневого шару кристала (наприклад, атом 1 на рис. 7, а). Місце, де знаходився такий атом, виявляється вільним і називається вакансією. Через деякий час у вільний вузол переміщається інший атом (наприклад, атом 2 на рис. 7, б). У звільнилося переміщається наступний атом (атом 3 на рис. 7, в). Таким чином, вакансія переміщається по кристалу. Наявність вакансій спотворює атомну решітку кристала, впливаючи на властивості металу (рис. 7, г).

Зі збільшенням температури збільшується число вакансій і вони частіше переходять з одного вузла в інший. Вакансії відіграють визначальну роль в дифузійних процесах, що протікають в металах і сплавах.

Лінійні недосконалості. Найбільш поширеними є недосконалість, мають протяжність тільки в одному напрямку, або лінійні дефекти. Їх називають дислокациями. Дислокації утворюються в результаті місцевих зсувів (зрушень) кристалографічних площин, що відбуваються в кристалічній решітці кристалів. Найбільш поширені крайові дислокації (рис. 8). Крайова дислокація - це нижня межа (край) як би зайвою, що не має продовження полуплоскости АВ. Лінію атомів нижньої межі півплощини АВ і називають дислокацією (див. Рис. 8).

Освіта дислокацій може відбуватися при кристалізації, термічній обробці і при інших процесах. Дислокації дуже впливають на механічні властивості - знижують міцність, але забезпечують здатність металу пластично деформуватися (рис. 9).

Поверхневі недосконалості - кордони зерен і блоків металу. На кордоні між зернами (кристалами) атоми мають менш правильне розташування, ніж в обсязі зерна. Зерна разоріентіровать, повернені щодо один одного на кілька градусів. По межах зерен скупчуються дислокації і вакансії. Зерно складається з великої кількості областей, званих блоками, межі яких є дислокації, що розділяє зерно на блоки (рис. 10).

Отже, в реальній кристалічній решітці металів завжди є вакансії, дислокації, атоми домішок (мають інші атомні розміри), які спотворюють форму кристалічних осередків і їх параметри. Все це впливає на реальні властивості металів (рис. 11). Для визначення властивостей металів стандартами передбачається проведення відповідних випробувань.