Структура металлов и сплавов

К атегория:

Автомобильные материалы и шины

Структура металлов и сплавов

1. Развитие металлографии

Металлография, или металловедение,- наука, занимающаяся изучением свойств, состава и структуры металлов и их сплавов. Металловедение кзк наука создана русскими учеными-металлур-гами. Выдающийся русский ученый-металлург Павел Петрович Аносов первый заложил основы металловедения. Работая на Златоустовском оружейном заводе на Урале, он впервые в мире в 1831 г. применил микроскоп для исследования строения стали на полированных травленых шлифах. П. П. Аносов положил начало современному процессу производства стали, называемому мартеновским; он осуществил метод передела чугуна в сталь (в 1873 г.) без добавки железа, опередив этим более чем на 30 лет братьев Мартен.

П. П. Аносов проделал большую научную работу по изучению влияния углерода на свойства стали. Его научные работы оказали большое влияние на развитие производства качественных сталей и на улучшение методов их термической обработки. Дальнейшую работу по изучению свойств металлов и металлических сплавов в зависимости от изменения их состава и строения продолжал гениальный русский ученый Дмитрий Константинович Чернов. Работая инженером на Обуховском сталелитейном заводе в Петербурге, он сделал открытие, которое имело исключительно важное значение для дальнейшего развития металловедения. Д. К. Чернов в результате многочисленных наблюдений над поведением стальных поковок в процессе тепловой обработки установил, что при определенных температурах в стали, находящейся в твердом состоянии, происходит перестройка ее частиц, благодаря чему изменяется структура стали и ее свойства.

Открытия, сделанные Д. К. Черновым, были опубликованы в 1868 г., в связи с чем он получил всемирную известность и заслуженно считается основоположником металлографии. Благодаря его открытиям стала возможной правильная, научно обоснованная термическая обработка металлов и металлических сплавов.

Последователи и ученики Д. К. Чернова - Н. С. Курнаков, А. А. Байков и др.- в дальнейшем способствовали своими научными работами и исследованиями еще большему развитию отечественного металловедения.

2. Кристаллическая структура металлов

Существуют тела аморфные и кристаллические. Структура аморфных тел состоит из хаотически расположенных атомов. К таким телам относятся, например, стекло, янтарь, смолы и т. п. Кристаллические тела отличаются от аморфных тем, что атомы в них располагаются в геометрически правильном порядке. Металлы и металлические сплавы относятся к типичным кристаллическим телам. Атомы, располагаясь в металлах в строго определенном геометрическом порядке, образуют кристаллическую решетку (рис. 11). В зависимости от расположения атомов образуются различные виды кристаллических решеток.

В металлах чаще всего встречаются кристаллические решетки в виде центрированного куба, гранецентрированного куба и гексагональной призмы.

Такие, например, металлы как хром, ванадий, вольфрам, молибден и ряд других, имеют кристаллическую решетку в виде центрированного куоа (рис. 12, а), в которой восемь атомов располагаются в углах куба и один - в центре куба.

Алюминий, медь, свинец, никель, серебро и др. имеют кристаллическую решетку - гранецентрированную, т. е. в виде куба с центрированными гранями (рис. 12,6). В такой решетке в каждом углу куба находится по одному атому и по одному атому в центре каждой грани. Всего, следовательно, 14 атомов.

Кристаллическую решетку в зиде гексагональной призмы (рис. 12, е) имеют такие металлы, как, например, цинк, титан, марганец. Расположение атомов в кристаллической решетке типа гексагональной призмы следующее: в каждом углу призмы находится по одному атому, в центре верхнего основания один атом, в центре нижнего основания один атом и три атома в среднем сечении.

Рис. 11. Кристаллическая решетка

Рис. 12. Виды кристаллических решеток:
а - куб центрированный; б - куб гранецентрированный; в - гексагональная призма

Расстояния между атомами в кристаллической решетке чрезвычайно малы и измеряются специальной единицей длины, которая носит название ангстрема (по имени ученого). Один ангстрем равен одной стомиллионной Юле сантиметра.

В расплавленном жидком металле атомы находятся в движении.‘Движение их носит хаотический характер, но по мере того, как температура металла понижается и приближается к критической, т. е. к температуре затвердевания, в нем образуются так называемые центры кристаллизации, или зародыши кристаллизации. Центры кристаллизации представляют собой чрезвычайно мелкие группы атомов, которые группируются в геометрически правильном порядке.

Образующиеся зародыши кристаллизации очень неустойчивы, и многие из них снова растворяются. Практическими наблюдениями установлено, что зародыши кристаллизации приобретают устойчивость и начинают расти тогда, когда жидкий металл переохладится до некоторой температуры. Кривая охлаждения чистого металла дает наглядное представление о том, как протекает процесс кристаллизации.

Рис. 13. Кривая охлаждения чистого металла

В переохлажденном металле (рис. 13, а) процесс кристаллизации начинает протекать быстрее. После начала интенсивной кристаллизации температура переохлажденного металла поднимается до температуры его затвердевания (б) за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации.

Рис. 14. Схема образования зерен

В течение всего процесса кристаллизации температура металла остается постоянной (б, в). После того как металл перейдет из жидкого состояния в твердое, начинается понижение его температуры до температуры окружающей среды (г). В процессе кристаллизации происходит рост зародышей за счет атомов из окружающей их жидкости, которые располагаются в кристаллической решетке в строго определенном порядке (рис. 14, а, б). Вначале рост зародышей кристаллизации протекает свободно, и они имеют правильную внешнюю геометрическую форму. Но так как одновременно образуется много зародышей, то наступает такой момент, когда они начинают встречаться друг с другом (рис. 14, в, г, д). После такого столкновения рост их становится возможным только в тех направлениях, где нет помех. Это приводит к тому, что внешняя геометрическая форма кристаллов металла становится неправильной, вследствие чего они обычно называются зернами металла (рис. 14, е).

3. Изменение структуры в твердых металлах (явление аллотропии)

Структура некоторых металлов, находящихся в твердом состоянии, может при известной температуре испытывать превращения, которые представляют собой перегруппировку атомов и переход из одного вида кристаллической решетки в другой. Такое явление носит название аллотропии металлов. Различные кристаллические формы, в которые кристаллизуется один и тот же твердый металл при определенных температурах, называются аллотропическими модификациями. Аллотропические модификации обозначаются греческими буквами. Переход из одной модификации в другую происходит при определенной, постоянной температуре и сопровождается поглощением тепла (при нагреве) или выделением тепла (при охлаждении) и образованием новой кристаллической решетки.

Рис. 15. Кривая охлаждения чистого железа

Чистое железо существует в нескольких модификациях. На кривой охлаждения чистого железа (рис. 15) видно, при каких температурах происходят аллотропические превращения железа. До температуры 910° железо имеет кристаллическую решетку в виде центрированного куба и называется альфа-железо a-Fe. .причем до 770° a-Fe магнитно, а выше 770° немагнитно. При температуре 910° кристаллическая решетка a-Fe меняется и переходит в гранецентрированную; эта модификация называется гамма-железо y-Fe и устойчива до температуры 1390°, при которой вновь превращается в решетку центрированного куба. Новая модификация называется дельта-железо 8-Fe. Аллотропические превращения имеют очень важное значение, так как металлы, испытывающие такие превращения, могут подвергаться термической обработке. Аллотропическим превращениям подвержены, кроме железа, и некоторые другие металлы, как, например, титан, марганец, кобальт, цирконий, олово.

4. Строение сплавов

Сплавом называется сложное вещество, полученное сплавлением двух или нескольких элементов. Элементы, составляющие сплав, называются компонентами сплава. В жидком состоянии сплав представляет раствор, в котором атомы одного компонента равномерно распределяются между атомами других компонентов, благодаря чему жидкий раствор обладает одинаковыми свойствами в любой своей части, как бы она ни была мала. Такие вещества называются однородными. Свойства любого жидкого раствора отличаются от свойств его компонентов, но каждый компонент оказывает влияние на характер свойств раствора. При тщательном исследовании жидких растворов оказывается, что физические, электрические и другие свойства этих растворов резко отличаются от свойств их компонентов и могут изменяться в зависимости от процентного содержания компонентов, т. е. от концентрации‘раствора.

Концентрацией раствора называется отношение веса растворимого вещества к весу всего раствора. Концентрация выражается обычно в процентах. При переходе сплава из жидкого состояния в твердое могут получаться различные виды взаимодействия компонентов. Основными видами взаимодействия компонентов являются: механическая смесь, химическое соединение и твердый раствор.

Механическая смесь представляет такой вид взаимодействия компонентов, при котором в процессе кристаллизации компоненты сплава не вступают в химическую реакцию и не растворяются один в другом, а сохраняют свои кристаллические решетки. Следовательно, структура сплава, являющегося механической смесью двух каких-либо компонентов, например, свинца и сурьмы, будет состоять из чрезвычайно мелких кристаллов свинца и кристаллов сурьмы.

В случае химического соединения взаимодействие компонентов сплава характеризуется образованием совершенно новой кристаллической решетки, не похожей на кристаллические решетки компонентов; при этом соотношение компонентов всегда будет строго определенным.

Твердый раствор отличается от механической смеси и химического соединения тем, что в нем сохраняется кристаллическая решетка металла-растворителя, в которой размещаются атомы всех компонентов сплава. Металл, кристаллическая решетка которого сохраняется после образования твердого раствора, называется растворителем. Твердые растворы могут быть двух видов: твердый раствор внедрения и твердый раствор замещения. В твердом растворе внедрения атомы растворенного вещества располагаются между атомами растворителя (рис. 16, а). В твердом растворе замещения атомы растворенного вещества частично замещают собой атомы растворителя в его кристаллической решетке (рис. 16,6).

Рис. 16. Решетка твердого раствора:
а - внедрения; б - замещения

5. Диаграмма состояния сплавов (свинец - сурьма) и ее построение

Для изучения сплавов обычно пользуются диаграммами состояния сплавов. Диаграммы состояния сплавов заменяют собой все записи и кривые охлаждения сплава, полученные в результате Многочисленных наблюдений. Такая диаграмма дает возможность видеть все изменения строения сплава и его свойств, происходящие в зависимости от изменения концентрации и температуры. Любая точка диаграммы дает характеристику сплаза определенной концентрации и структуры. По диаграмме состояния сплавов можно определить температуру плавления и температуру затвердевания данного сплава при любой концентрации. Знание этих фактов способствует правильному выбору температур нагрева и охлаждения при термической и химико-термической обработках различных сплавов.

Для того чтобы уяснить, как строится диаграмма состояния сплавов, рассмотрим построение такой диаграммы для сплавов свинца и сурьмы. Возьмем чистые металлы свинец и сурьму и несколько их сплавов с содержанием сурьмы 5%, 10%, 13%, 20%, 40% и 80%.

Рис. 17. Кривые охлаждения свинца, сурьмы и различных сплавов свинца с сурьмой

Чтобы определить критические точки взятых металлов и их сплавов, нагреем поочередно каждый металл и сплав до полного расплавления и с помощью термопары или пирометра внимательно проследим за процессом их охлаждения и построим кривые охлаждения (рис. 17). В процессе охлаждения расплавленного чистого свинца будут происходить следующие явления.

При температурах, лежащих выше 327°, свинец находится в жидком состоянии (рис. 17, а); при температуре 327° наблюдается процесс кристаллизации свинца с задержкой падения температуры до полного завершения кристаллизации; после окончания кристаллизации происходит дальнейшее охлаждение твердого свинца до температуры окружающей среды.

Аналогичные явления наблюдаются и в процессе охлаждения расплавленной чистой сурьмы (рис. 17, б), с той лишь разницей, что кристаллизация сурьмы начинается при температуре 630°.

Сплав, состоящий из 95% свинца и 5% сурьмы (рис. 17,в), имеет кривую охлаждения с двумя критическими точками, поэтому он затвердевает в интервале температур 296-246°. При температуре 296° из жидкого сплава начинают выделяться первые кристаллы чистого свинца. Кривая в этой точке имеет перегиб. По мере дальнейшего понижения температуры количество кристаллов свинца будет все более увеличиваться, а остающаяся часть жидкого сплава будет обогащаться сурьмой. Такое явление продолжается до тех пор, пока концентрация жидкого сплава не достигнет 13% сурьмы и 87% свинца; при такой концентрации весь сплав, оставшийся еще жидким, затвердеет при температуре 246°. Сплав, состоящий из 30% свинца и 10% сурьмы (рис. 17, г), затвердеет также в интервале температур 260-246°. При температуре 260° начинается выделение из жидкого сплава кристаллов свинца. При достижении концентрации жидкого сплава до 13% сурьмы и 87% свинца происходит затвердевание сплава при температуре 246° (рис. 17, д). Следовательно, при охлаждении вышеприведенных сплавов, прежде чем будет достигнута критическая температура 246°, весь лишний, избыточный сверх 87% свинец выделяется из жидкого сплава в виде кристаллов. По достижении состава 87% свинца и 13% сурьмы сплав переходит в твердое состояние при температуре 246°. Структура затвердевшего сплава такой концентрации состоит из правильно чередующихся между собой частиц свинца и сурьмы. Такая механическая смесь называется эвтектической. Все сплавы свинца с сурьмой, содержащие сурьмы меньше, чем 13%, будут всегда иметь избыток свинца и при охлаждении стремятся выделить этот избыток в виде твердых кристаллов свинца, чтобы при температуре 246° образовать эвтектику. Тогда, очевидно, в твердом состоянии такие сплавы будут иметь структуру свинец + эвтектика. Сплав, состоящий из 87% свинца и 13% сурьмы, имеет кривую охлаждения (рис. 17, д) с одной критической точкой. Этот сплав находится в жидком состоянии при температурах, лежащих выше 246°. При температуре 246° сплав полностью переходит в твердое состояние.

Такая структура твердого сплава представляет собой чистую эвтектику. Сплав, состоящий из 80% свинца и 20% сурьмы (рис. 17, е), при температурах выше 280° находится в жидком состоянии. При охлаждении сплава до температуры 280° из него начинают выделяться кристаллы твердой сурьмы, причем этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока оставшийся жидкий сплав не примет эвтектического состава. При температуре 246° весь сплав затвердевает. Структура затвердевшего сплава будет состоять из кристаллов сурьмы и эвтектики. Сплав, состоящий из 60о/0 свинца и 40о/0 сурьмы (рис. 17, ж), выше температуры 395° Находится в жидком состоянии. При температуре 395° начинается процесс кристаллизации с выделением из жидкого раствора кристаллов избыточной сурьмы. По достижении эвтектического состава- (87о/0 свинца и 13% сурьмы) при температуре 246° весь сплав переходит в твердое состояние, образуя структуру, состоящую из кристаллов сурьмы и эвтектики.

Сплав, состоящий из 20% свинца и 80% сурьмы (рис. 17, з), находится в жидком состоянии выше температуры 570°. При температуре 570° начинается процесс выделения из жидкого сплава кристаллов избыточной сурьмы. По достижении эвтектического состава при температуре 246° весь сплав переходит в твердое состояние. Структура сплава состоит из кристаллов сурьмы и эвтектики. Приведенные наблюдения показывают, что все сплавы свинца с сурьмой, в которых содержание свинца меньше 87о/0, содержат избыток сурьмы и при охлаждении будут стремиться выделить этот избыток в процессе кристаллизации в виде твердых кристаллов сурьмы, чтобы при температуре 246° образовать эвтектику. Чем больше будет сурьмы в сплаве, тем при более высокой температуре начнет выделяться из него при охлаждении избыточная (против 13<>/0) сурьма. Сплавы свинца с сурьмой при наличии в них избыточной сурьмы образуют в твердом состоянии структуру, состоящую из кристаллов сурьмы и эвтектики.

Рис. 18. Диаграмма состояния сплавов системы свинец-сурьма

Кривые охлаждения сплавов свинца и сурьмы с различным процентным содержанием Компонентов можно объединить в одну диаграмму состояния сплавов свинца с сурьмой. Для этого на горизонтальной оси (рис. 18) отложим содержание свинца и сурьмы в испытанных сплавах. Через точки, соответствующие 100% сурьмы и 100% свинца, проведем вертикальные прямые линии, на которых отложим температуры от 0 до 700°. Через точки, отвечающие составам испытанных сплавов, проведем пунктиром вертикальные линии. После этого переносим с кривых охлаждения критические точки на вертикальные линии диаграммы. Критическую точку чистого свинца (327°) обозначим буквой А, а критическую точку чистой сурьмы (630°) буквой С. Как известно из предыдущих наблюдений, каждый сплав имеет две критические точки, кроме эвтектического сплава. Критическую температуру эвтектического сплава обозначим буквой В. Соединим точки А и С плавными кривыми с точкой В так, чтобы кривые проходили через все верхние критические точки. Через все нижние критические точки проведем прямую линию, которая пройдет и через точку В, и обозначим ее левый конец буквой D, а правый конец буквой Е. Верхние критические точки являются точками начала затвердевания сплавов, а нижние критические точки - точками конца затвердевания сплавов. Линия ABC диаграммы называется линией ликвидуса (от латинского слова жидкий). Выше линии ABC все сплавы свинца и сурьмы находятся в жидком состоянии. Линия DBE называется линией солидуса (от латинского слова «твердый»). Ниже линии DBE все сплавы свинца с сурьмой находятся в твердом состоянии, причем ниже линии DB они будут состоять из кристаллов свинца и эвтектики и называются доэвтектическими, ниже точки В - из чистой эвтектики (так называемые эвтектические) и ниже линии BE - из кристаллов сурьмы и эвтектики (заэвтектические).

6. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Существуют различные структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. Они имеют следующие названия: феррит, цементит, аустенит.

Ферритом называется химически чистое железо, а также твердый раствор углерода в железе. Растворимость углерода в железе чрезвычайно мала и обычно составляет 0,006-0,04%. Феррит устойчив до температуры 910°. Он обладает небольшой твердостью и малой прочностью. Твердость феррита зависит от размера зерна; пластичность феррита высокая.

Цементитом называется химическое соединение железа с углеродом. Цементит содержит 6,67% углерода (по весу) и представляет собой очень твердое и хрупкое кристаллическое вещество, которое при нагревании до высоких температур распадается на феррит и свободный углерод (углерод отжига). В белом чугуне содержится большое количество цементита. Цементит оказывает значительное влияние на механические свойства стали.

Механическая смесь феррита и цементита образует структуру стали, называемую перлитом. Перлит бывает двух видов: пластинчатый, или полосчатый, и зернистый. Пластинчатый перлит имеет вид перемежающихся ‘очень мелких пластинок феррита и цементита. Путем нагрева до определенных температур можно изменить строение пластинчатого перлита и получить так назы-ваёмый зернистый перлит, в котором цементит находится в виде круглых зерен, расположенных среди феррита.

Зернистый перлит обладает лучшими механическими свойствами, чем пластинчатый. Перлит по своим механическим свойствам занимает промежуточное положение между ферритом и цементитом. Сталь с содержанием углерода 0,83% имеет чистую перлитную структуру.

Аустенит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в железе. Растворимость углерода в у-железе может достигать 1,7%. В обыкновенной углеродистой стали аустенит устойчив до температуры 723°. Ниже 723° он распадается на феррит и цементит. При температурах, лежащих ниже 723°, аустенит может сохраняться только в высоколегированных марганцовистых, хромоникелевых или никелевых сталях.

Эвтектическая смесь аустенита и цементита образует структуру стали, называемую ледебуритом. Ледебурит образуется при затвердевании железоуглеродистого сплава с содержанием углерода 4,3% при температуре 1130°. Ледебурит остается устойчивым до температуры 723°. Ниже этой температуры ледебурит изменяет свою структуру, так как входящий в его состав аустенит распадается на перлит, вследствие чего ледебурит при температурах ниже 723° будет состоять из перлита и цементита.

7. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Стали и чугуны представляют собой сложные сплавы, содержащие, кроме железа и углерода, другие элементы - кремний, марганец, фосфор и серу, а также цветные металлы (в легированных сталях и чугунах). Главнейшей составной частью, определяющей характер и свойства железоуглеродистого сплава, является углерод. Структура и свойства стали и чугуна изменяются лишь при условии нагрева их до критических температур, зависящих от содержания углерода в этих сплавах. Критические температуры железоуглеродистых сплавов с разным содержанием углерода могут быть нанесены на специальную диаграмму, называемую диаграммой состояния сплавов системы железо - углерод.

Такая диаграмма (рис. 19) позволяет определить для каждого сплава стали и чугуна температуру его плавления, все превращения, испытываемые сплавом при охлаждении и нагревании, и структуру сплава при любой температуре. По горизонтальной оси диаграммы откладывается содержание углерода в процентах, а по вертикальной оси - температура. Каждая точка на диаграмме представляет собой определенный сплав при определенной температуре. Выше линии ACD все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия АCD есть линия ликвидуса.

Чистое железо плавится и затвердевает в одной точке при температуре 1535°. Все остальные сплавы железа с углеродом плавятся и затвердевают в некотором промежутке температур, постепенно изменяющемся. Сплавы, содержащие от 0 до 4,39% углерода, начинают затвердевать по линии АС, выделяя твердые кристаллы аустенита. Сплавы, содержащие более 4,3% углерода, начинают затвердевать по линии CD, выделяя твердые кристаллы цементита Fe3C. Сплав, содержащий 4,3% углерода, затвердевает полностью в точке С, выделяя одновременно кристаллы аустенита и цементита, в результате чего образуется эвтектика, называемая ледебуритом. Линия AECF есть линия солидуса. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Область диаграммы, ограниченная линиями АС, СЕ, ЕА, представляет сплавы, состоящие из твердых кристаллов аустенита и жидкого сплава; область диаграммы, ограниченная линиями DC. CF, FD, включает сплавы, состоящие из твердых кристаллов цементита и жидкого сплава.

Рис. 19. Диаграмма состояния системы железо - углерод

Сплавы, находящиеся в области диаграммы, ограниченной линиями АЕ, ES, SG, состоят из аустенита. По линии ES начинает выделяться из аустенита цементит. Ниже линии PSK весь оставшийся аустенит распадается в точке 5 на феррит и цементит, образуя механическую смесь, называемую перлитом, причем в точке 5 сплав содержит углерода 0,83°/о. Такой сплав называется эвтектоидным. Линия GPQ показывает предел насыщения а-железа углеродом.

8. Изменение структуры стали

При нагревании стали выше критической точки Aci (рис, 20) (температура, при которой перлит превращается в аустенит) в структуре стали, как известно, начинают происходить превращения. После окончания превращения дальнейшее нагревание или выдержка ведут к росту аустенитного зерна. Рост зерна происходит самопроизвольно, причем скорость этого процесса увеличивается с повышением температуры.

Рост аустенитного зерна протекает по-разному и зависит от склонности зерна к росту. В зависимости от этого различают стали наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые. Под наследственностью понимают склонность зерна к росту. Наследственно крупнозернистые стали обладают повышенной склонностью аустенитного зерна к росту, а наследственно мелкозернистые малой склонностью к росту.

Изменение размеров зерна при нагревании указанных сталей видно из рис. 20. При нагревании стали выше критической точки Асх размер зерна стали резко уменьшается. При дальнейшем нагревании аустенитное зерно в наследственно мелкозернистых сталях не растет до температур порядка 950--1000°, после чего начинается быстрый рост зерна.

В наследственно крупнозернистых сталях зерно начинает расти сразу после перехода через критическую точку Ас\. Размер аустенитного зерна имеет большое значение для получения окончательных результатов при термической обработке сталей. Превращение перлита ib аустенит сопровождается измельчением зерна. Образующееся при этом превращении зерно очень мелко. При обратном превращении аустенитного зерна в перлитное изменений в его размере почти не происходит (рис. 21). Следовательно, размер перлитного зерна зависит главным образом от размера аустенигного зерна. А так как аустенитное зерно растет только при нагревании, то, нагревая сталь до определенных температур, можно получить окончательно требуемый размер зерна стали. Размер действительного зерна стали, т. е. зерна, полученного в результате той или иной термической обработки, оказывает большое влияние на механические свойства стали.

Рис. 20. Схема роста зерна в наследственно-мелкозернистой и в наследственно-крупнозернистой стали

Крупнозернистая сталь хорошо прокаливается и обрабатывается режущим инструментом, но в то же время она более склонна к закалочным деформациям, к образованию в ней трещин. Мелкозернистые стали обладают большей ударной вязкостью в сравнении с крупнозернистыми сталями, но меньшей прокаливае-мостью. Для изготовления изделий, которым требуется вязкая сердцевина при твердой поверхности, применяется мелкозернистая сталь.

При медленном охлаждении нагретой стали до аус-тенитного состояния аусте-нит превращается в перлит, феррит и цементит. При больших скоростях охлаждения - от 40 до 200° в секунду и более - в результате распада аустенита получаются структуры стали: сорбит, троостит и мартенсит.

Сорбит бывает двух видов: сорбит закалки и сорбит отпуска. Сорбит закалки состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита, но пластинки цементита в нем значительно тоньше, чем в перлите. Сорбит тверже перлита, но обладает меньшей вязкостью. Сорбит отпуска получается в результате распада мартенсита в стали при отпуске ее в интервале температур 500-600°. В сорбите отпуска частицы цементита имеют шарообразную форму. Троостит, так же как и сорбит, различается двух видов: троостит закалки и ‘троостит отпуска.. Троостит представляет механическую смесь пластинок феррита и цементита, но более тонких, чем в сорбите. Троостит обладает большей твердостью по сравнению с сорбитом, но меньшей вязкостью. Троостит отпуска является продуктом распада мартенсита при отпуске его в интервале температур 350-450°.
Мартенсит представляет собой твердый раствор внедрения углерода. Кристаллы мартенсита имеют иглообразную форму. Он обладает высокой твердостью и хорошо сопротивляется износу; пластичность и вязкость его низкие.

Рис. 21. Изменение размера зерна в процессе перекристаллизации

К атегория: - Автомобильные материалы и шины

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Внутреннее строение металлов и сплавов

1. Атомное строение металлов

2. Полиморфизм. Анизотропия

3. Строение реальных кристаллов и дефекты кристаллической решетки

1 . Атомное строение металлов

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Металлы - один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

· «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);

· пластичность;

· высокая теплопроводность;

· высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком - периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка - элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

Рис.1.1. Схема кристаллической решетки

размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c - периоды решетки - расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определенными.

углы между осями ().

координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

плотность упаковки атомов в кристаллической решетке - объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки - 0,68, для гранецентрированной кубической решетки - 0,74)

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;

Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а - объемно-центрированная кубическая; б- гранецентрированная кубическая; в - гексагональная плотноупакованная

примитивный - узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

базоцентрированный - атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

объемно-центрированный - атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

гранецентрированный - атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней

Основными типами кристаллических решеток являются:

1. Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti,)

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au,)

3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

o простая - атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

o плотноупакованная (ГПУ) - имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

2 . Полиморфизм. Анизотропия

металл кристаллический атомный полиморфизм

Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.

В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией

Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.

Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.

Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.

Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y, Z - кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки.

Рис.1.3. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей (а) и кристаллографических направлений (б)

Для определения индексов кристаллографической кристалло-графической плоскости необходимо:

установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки;

взять обратные значения этих величин;

привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел.

Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей на рис. 1.3 а.

Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости,параллельные оси, имеют по ней индекс 0 (110)

Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо:

одну точку направления совместить с началом координат;

установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки

привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целых чисел.

Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобкаж

В кубической решетке индексы направления, перпендикулярного плоскости (hkl) имеют те же индексы .

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.

Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).

Fe: - ОЦК - ;

ОЦК - ; (высокотемпературное)

Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких - алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

3 . Строение реальных кристаллов и дефекты кристаллической решетки

Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается. В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:

· точечные - малые во всех трех измерениях;

· линейные - малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;

· поверхностные - малые в одном измерении.

Точеные дефекты

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей. (рис. 2.1.)

Рис.2.1. Точечные дефекты

Вакансия - отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д.), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Дислоцированный атом - это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Линейные дефекты:

Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла.

Дислокация - это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Простейшие виды дислокаций - краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 2.2)

Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Неполная плоскость называется экстраплоскостью.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 2.3).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация - положительная (), если в нижней, то - отрицательная (). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.

Рис. 2.3. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация

Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 2.4) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.

Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки - левая.

Рис. 2.4. Механизм образования винтовой дислокации

Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.

В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.

Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.

Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м 2 , или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м 3

(см -2 ; м -2)

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 10 5 …10 7 м -2 , в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10 15 …10 16 м -2 .

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 2.5)

Рис. 2.5. Влияние плотности дислокаций на прочность

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций

Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов - нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм - “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10 15 …10 16 м -2 . В противном случае образуются трещины.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно “захлопывание” их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

Поверхностные дефекты- границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Разориентация зерен и блоков в металле

Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов ().

Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 - 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.

Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов (). Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.

В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса (). Такую структуру называют блочной или мозаичной.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные типы решеток, точечные и линейные дефекты. Связь строения кристаллической решетки с механическими и физическими свойствами материала. Реальное строение кристаллов, формы пластической деформации. Свойства металлов, применяемых в строительстве.

реферат , добавлен 30.07.2014


Классификация дефектов кристаллической решетки металлов. Схема точечных дефектов в кристалле. Дислокация при кристаллизации или сдвиге. Расположение атомов в области винтовой дислокации. Поверхностные или двухмерные дефекты. Схема блочной структуры.

лекция , добавлен 08.08.2009


Направления и этапы исследований в сфере строения и свойств металлов, их отражение в трудах отечественных и зарубежных ученых разных эпох. Типы кристаллических решеток металлов, принципы их формирования. Основные физические и химические свойства сплавов.

презентация , добавлен 29.09.2013


Точечные дефекты в кристаллической решетке реальных металлов: вакансии, дислоцированные атомы и примеси. Образование линейных дефектов (дислокаций). Роль винтовой дислокации в формировании растущего кристалла. Влияние плотности дислокаций на прочность.

презентация , добавлен 14.10.2013


Характеристика химических и физических свойств металлов. Отношение металлов к окислителям - простым веществам. Физический смысл внутреннего трения материалов. Примеры применения метода внутреннего трения в металловедении. Поиск динамического модуля.

курсовая работа , добавлен 30.10.2014


Свойства и атомно-кристаллическое строение металлов. Энергетические условия процесса кристаллизации. Строение металлического слитка. Изучение связи между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов.

курсовая работа , добавлен 03.07.2015


Распространенность металлов в природе. Содержание металлов в земной коре в свободном состоянии и в виде сплавов. Классификация областей современной металлургии в зависимости от методов выделения металлов. Характеристика металлургических процессов.

презентация , добавлен 19.02.2015


Классификация металлов по основному компоненту, по температуре плавления. Характерные признаки, отличающие металлы от неметаллов: внешний блеск, высокая прочность. Характерные особенности черных и цветных металлов. Анализ сплавов цветных металлов.

контрольная работа , добавлен 04.08.2012


Определение механических свойств конструкционных материалов путем испытания их на растяжение. Методы исследования качества, структуры и свойств металлов и сплавов, определение их твердости. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов.

учебное пособие , добавлен 29.01.2011


Сущность и назначение термической обработки металлов, порядок и правила ее проведения, разновидности и отличительные признаки. Термомеханическая обработка как новый метод упрочнения металлов и сплавов. Цели химико-термической обработки металлов.

В изготовлении машин и рабочих установок, наиболее применяемыми стали металлы и их сплавы.
Металлы – это вещества, которые обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью, блеском, ковкостью и другими свойствами, которые легко и не очень поддаются металлообработке .

В промышленности все металлы и сплавы делят на две категории: цветные и черные . Так называемые черные металлы – это чистое железо и сплавы на основе его материала. К цветным – относятся остальные виды металлов. Для правильного выбора металла для изготовления конструкций механизмов с дальнейшим анализом ее использования, механических и других свойст, которые влияют на надежность и работоспособность машин – нужно знать внутреннее строение, механические, физико-химические и технологические свойства, а также каким методом проделывать обработку металла и нуждается ли материал в резке металла (если материал нужно обработать резкой, то лучше это сделать при помощи плазменной резки металла).

В твердом состоянии все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Молекулы металлов (атомы, ионы) в пространстве располагаются в строго определенном порядке и между собой образуют кристаллическую решетку .
Образуется кристаллическая решетка посредством обработки металла , т.е. перехода его состояния из жидкого в твердое. Такой процесс носит название – кристаллизация . Впервые эти процессы были изучены ученым из России - Д.К. Черновым.

Процесс кристаллизации :
Сам процесс состоит из двух частей. У металла, который находится в жидком состоянии, атомы непрерывно двигаются. Если понизить температуру, то скорость передвижения атомов уменьшается, они сближаются и группируются в кристаллы (поэтому для того, чтобы изменить форму и структуру изделия, его подвергают металлообработке при помощи нагревания) – это первая часть, при ней образуются центры кристаллизации.
Затем идет рост вокруг центров кристаллизации – это уже вторая часть процесса. В самом начале рост кристаллов протекает свободно, но потом, рост одних – мешает росту другим, в результате формируется неправильная форма группы кристаллов, которые называются зёрнами. Размер полученных зёрен, значительно влияет на дальнейшую металлообработку изделий. Металл, состоящий из крупных зёрен - имеет низкую сопротивляемость к удару, если производится резка металла , то появляется трудность в получении низкой шероховатости на поверхности такого металла. Размеры зёрен зависят от условий кристаллизации и свойств самого металла.

Способы изучения металлической структуры :
Исследование структуры металлов и сплавов производится посредством макро и микро – анализов, а также и другими способами. При помощи макро-анализа изучается строение металла, которое можно увидеть невооруженным глазом или при помощи лупы. Эта структура определяется по макрошлифам или изломам. Макрошлиф – это образец металла, одна из сторон которого травлена кислотой и отшлифована.
При микро-анализе изучается размеры и формы зёрен, их структурные составляющие, выявляют микродефекты и качество термической обработки металла . Этот анализ производится по микрошлифам при помощи микроскопа. Микрошлиф – это некий образец металла, который имеет плоскую отполированную поверхность, травленую слабым раствором кислоты.

Свойства металлов :
Металлические свойства подразделяются на физико-химические, технологические и механические. Под механическими свойствами понимается сопротивляемость металла к воздействию на него внешней силы. К механическим свойствам относятся вязкость , прочность , стойкость и другие.
Прочность – это свойства металла в определенных условия не разрушаться, но воспринимать воздействие внешних сил. Это свойство является важным показателем при выборе метода обработки металла .
Вязкость – это сопротивление материала при ударной нагрузке.
Твердость – свойства материала к сопротивлению внедрения в него другого материала.

К основными технологическими свойствами относятся - ковкость , свариваемость , свойства плавления , обрабатываемость резанием и другие.
Ковкость – это свойства материала подвергаться металлообработке ковкой и другим методам обработки давлением.
Свариваемость – свойства материала создавать прочные сварные соединения.
Свойства плавления – свойства материала в расплавленном виде заполнять литейные формы и создавать плотные отливки с нужной конфигурацией.
Обрабатываемость резанием – свойства материала подвергаться резке металла для того, чтобы придать детали нужную форму, размер и шероховатость поверхности. Лучшим методом резки металлов является плазменная резка металла . После этого процесса металла практически не нуждается в дальнейшей металлообработке .
Для того, чтобы получать качественное изделие с хорошим внешним и внутренним строением, нужно хорошо разбираться в строении металлов, ведь только так можно получить отличный результат.

К машиностроительным материалам относятся металлы и их сплавы, древесина, пластмассы, резина, картон, бумага, стекло и др. Наибольшее применение при изготовлении машин получили металлы и их сплавы.

Металлами называются вещества, обладающие высокой теплопроводностью и электрической проводимостью; ковкостью, блеском и другими характерными свойствами.

В технике все металлы и сплавы принято делить на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе. К цветным - все остальные металлы и сплавы. Для того чтобы правильно выбрать материал для изготовления деталей машин с учетом условий их эксплуатации, механических нагрузок и других факторов, влияющих на работоспособность и надежность машин, необходимо знать внутреннее строение, физико-химические, механические и технологические свойства металлов.

Металлы и их сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Их атомы (ионы, молекулы) располагаются в пространстве в строго определенном порядке и образуют пространственную кристаллическую решетку.

Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве воспроизводит решетку, называется элементарной кристаллической ячейкой.

Форма элементарной кристаллической ячейки определяет совокупность свойств металлов: блеск, плавкость, теплопроводность, электропроводность, обрабатываемость и анизотропность (различие свойств в различных плоскостях кристаллической решетки) .

Пространственные кристаллические решетки образуются при переходе металла из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Процессы кристаллизации впервые были изучены русским ученым Д. К- Черновым.

Кристаллизация состоит из двух стадий. В жидком состоянии металла его атомы находятся в непрерывном движении. При понижении температуры движение атомов замедляется, они сближаются и группируются в кристаллы. Образуются так называемые центры кристаллизации (первая стадия). Затем идет роет кристаллов вокруг этих центров (вторая стадия). Вначале кристаллы растут свободно. При дальнейшем росте кристаллы отталкиваются, рост одних кристаллов мешает росту соседних, в результате чего образуются неправильной формы группы кристаллов, которые называют зернами.

Размер зерен существенно влияет на эксплуатационные и технологические, свойства металлов. Крупнозернистый металл имеет низкую сопротивляемость удару, при его обработке резанием возникает трудность в получении малой шероховатости поверхности деталей. Размеры зерен зависят от природы самого металла и условий кристаллизации.

Методы изучения структуры металла. Исследование структур металлов и сплавов производится с помощью макро- и микроанализа, а также другими способами.

Методом макроанализа изучается макроструктура, т. е. строение металла, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы. Макроструктуру определяют по изломам металла или по макрошлифам.

Макрошлиф представляет собой образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована и протравлена кислотой или другим реактивом. Этим методом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри, неравномерность распределения примесей в металле и т. д.

Микроанализ позволяет определить размеры и форму зерен, структурные составляющие, качество термической обработки, выявить микродефекты.

Микроанализ проводится по микрошлифам с помощью микроскопа (современные металлографические микроскопы дают увеличение до 2000, а электронные - до 25 000).

Ми крошлиф- это образец металла, имеющий плоскую полированную поверхность, подвергнутую травлению слабым раствором кислоты или щелочи для выявления микроструктуры. Свойства металлов. Свойства металлов обычно подразделяют на физико-химические, механические и технологические. Физико-химические и механические свойства твёрдых тел, в том числе и металлов, вам знакомы из курсов физики и химии. Остановимся на рассмотрении некоторых механических и технологических свойств, важных с точки зрения обработки металлов.

Под механическими свойствами, как известно, понимают способность металла или сплава сопротивляться воздействию внешних сил. К механическим свойствам относят прочность, вязкость, твердость и др.

Прочность характеризует свойство металла или сплава в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия внешних сил.

Важным свойством металла является ударная вязкость - сопротивление материала разрушению при ударной нагрузке.

Под твердостью понимают свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела.

Механические свойства материалов выражаются через ряд показателей (например, пределы прочности при растяжении, относительное удлинение и сужение и т.д.)

Пределом прочности при растяжении, или временным сопротивлением разрыву, называется условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец в процессе испытания до разрушения

Твердость металлов и сплавов определяют в основном с помощью трех методов, названных по именам их изобретателей: метод Бринелля, метод Роквелла и метод Виккерса. I Измерение твердости по методу Бринелля заключается в том, что с помощью твердомера ТШ в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 2,5 5 или 10 мм под действием статической -нагрузки Р. Отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка (лунки) дает значение твердости, обозначаемое НВ.

Измерение твердости по Роквеллу осуществляется с помощью прибора ТК вдавливанием в испытуемый металл шарика диаметром 1,59 мм (1/16 дюйма) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (для особо твердых сталей и сплавов) .Показания твердости определяются по индикатору прибора.

Измерение твердости по Виккерсу производится с помощью прибора ТП вдавливанием в металл алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине а= 136°. По длине диагонали полученного отпечатка с помощью таблицы находят число твердости HV.

Применение того или иного метода зависит от твердости испытуемого образца, его толщины или толщины испытуемого слоя. Например, методом Виккерса пользуются для измерения твердости закаленных сталей, материалов деталей толщиной до 0,3 мм и тонких наружных цементированных, азотированных и других поверхностей деталей.

К основным технологическим свойствам металлов и сплавов

относятся следующие:

ковкость-свойство металла подвергаться ковке и другим видам обработки давлением;

ж и д к о т е к у ч е с т ь - свойство расплавленного металла заполнять литейную форму во всех ее частях и давать плотные отливки точной конфигурации;

свариваемость - свойство металла давать прочные сварные соединения;

обрабатываемость реза нием- свойство металлов подвергаться обработке режущими инструментами для придания деталям определенной формы, размеров и шероховатости поверхности.

Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии. Компоненты, из которых состоят сплавы, в твердом состоянии могут по-разному взаимодействовать друг с другом, образуя механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, когда они в твердом состоянии не растворяются друг в друге и не вступают в химическое взаимодействие. Сплавы – механические смеси (например, свинец–сурьма, олово–цинк) неоднородны по своей структуре и представляют смесь кристаллов данных компонентов. При этом кристаллы каждого компонента в сплаве полностью сохраняют свои индивидуальные свойства. Вот почему свойства таких сплавов (например, электросопротивление, твердость и др.) определяются как среднее арифметическое от величины свойств обоих компонентов.

Сплавы – твердые растворы характеризуются образованием общей пространственной кристаллической решетки атомами основного металла-растворителя и атомами растворимого элемента. Структура таких сплавов состоит из однородных кристаллических зерен, подобно чистому металлу. Существуют твердые растворы замещения (медноникелевые, железохромистые и др. сплавы) и твердые растворы внедрения (например, раствор железа и углерода) (рис. 5).

Сплавы - твердые растворы являются самыми распространенными. Их свойства отличаются от свойств составляющих компонентов. Так, например, твердость и электросопротивление у твердых растворов значительно выше, чем у чистых компонентов. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

Химические соединения, подобно твердым растворам, являются однородными сплавами. Важной особенностью их является то, что при затвердевании образуется совершенно новая кристаллическая решетка, отличная от решеток составляющих сплав компонентов. Поэтому свойства химического соединения самостоятельны и не зависят от свойств компонентов. Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении сплавляемых компонентов. Состав сплава химического соединения выражается химической формулой. Эти сплавы обладают обычно высоким электросопротивлением, большой твердостью, малой пластичностью. Так, химическое соединение железа с углеродом – цементит (Fe 3 C) тверже чистого железа в 10 раз.

Кристаллизация сплавов

Сплавы имеют более сложную структуру, чем простые металлы. В связи с этим процессы кристаллизации сплавов протекают значительно сложнее, чем металлов.

Сплавы в отличие от чистых металлов при затвердевании или плавлении имеют не одну, а две критические точки – температуры, при которых в металлах или сплавах происходят какие-либо превращения (рис. 6).

Для облегчения изучения сплавов их объединяют в системы.

К системам относятся все те сплавы, которые состоят из одних и тех же компонентов и отличающиеся друг от друга лишь количественным соотношением этих компонентов, т. е. концентрацией. Так, например, к системе сплавов свинец–сурьма относятся все сплавы, состоящие из свинца и сурьмы и отличающиеся друг от друга лишь количественным составом этих компонентов.

Количество сплавов одной системы, но разной концентрации настолько велико, что изучать по кривым охлаждения или нагревания все превращения, происходящие в каждом из них, практически невозможно, да и нерационально. Для изучения состояния сплавов выбранной системы в зависимости от температуры и концентрации строят диаграмму состояния.