Понятие о металлах и природа металлической связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Понятие о металлах. Природа металлической связи. Основные свойства металлов. Роль русских ученых в развитии науки о металлах

Материаловедение - это наука, изучающая строение и свойства металлов, устанавливает связь между их составом, структурой и свойствами.

Ломоносов М.В. определял металл как светлое тело, которое можно ковать, т.е. в основу определения положил светоотражательность и пластичность. Но первые зачатки этой науки были заложены великим русским металлургом П.П. Аносовым (1799-1851). Он работал на заводе в г. Златоусте. Он впервые использовал микроскоп для изучения макроструктуры, начал производство специальных сталей - титановых, марганцевых, хромистых. Д.К. Чернов установил зависимость структуры и свойств стали от ее горячей и термической обработки. Открыл критические температуры при которых в стали, в результате ее нагревания или охлаждения в твердом состоянии, происходят фазовые превращения, существенно изменяющие структуру и свойства металла. Создал диаграмму состояния углерода.

Металлы - вещества, которые имеют в твердом состоянии кристаллическую решетку и коллективизированные атомы. Среди всех известных элементов, металлов - подавляющее большинство - 76. Si, Ge, As, Se, Te - относят к полупроводникам (их свойства находятся между свойствами металлов и неметаллов). Металлы:

- простые - металлы с полностью заполненными или незаполненными электронами d и f оболочки (цинк).

- переходные - металлы, где электронные уровни непоследовательны (железо).

Металлы обладают рядом характерных свойств:

- высокая тепло - и электропроводность

- положительный температурный коэффициент электросопротивления.



Некоторые металлы могут перейти в сверхпровод. (пунктир), т.е. скачком падает.

- термоэлектронная эмиссия (т.е. металлы могут испускать электроны).

- металлы обладают хорошей отражательной способностью (т.е. металлы непрозрачны), обладают металлическим блеском.

- повышенная способность к пластической деформации. Т.е. атомы металлов легко расстаются со своими валентными электронами. Ионизационный потенциал у металлов низок (4…9эВ), у неметаллов более высокий (10эВ и выше). У полупроводников (Si, C, Ge, As, Se, Te, б - Sn занимает промежуточное значение (8…10эВ).

Для Ме характерно наличие металлической связи. Она не имеет направленного характера. Ионы сохраняют постоянное положение и образуют пространственную решетку кристалла. Электроны металла не фиксированы в определенных местах, они заполняют все промежутки между ионами. Сила связи в металлах определяется соотношение между силами отталкивания и силами притяжения между атомами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной.

2. Кристаллизация металлов. Изменение свободной энергии при кристаллизации. Критический зародыш

Подавляющие большинство металлов получают путем кристаллизации из жидкого состояния.

Кристаллизация - процесс перехода метала из жидкого состояния в твердое. Кристаллизация является основным фазовым превращением, происходящим во всех металлах, так как при этом формируется кристаллическая структура, характерная для истинного твердого тела. Кристаллы могут возникнуть в том случае, если их объемная свободная энергия будет меньше, чем объёмная свободная энергия металла в жидком состоянии.

Процесс кристаллизации может происходить лишь при температуре ниже Т0, т. е. при соответствующем переохлаждении. Степень переохлаждения обозначается ?Т - разность между температурой равновесия Т0 и действительной температурой процесса Т1. ?Т = Т0 - Т1. Чем больше ?Т тем больше разность в величинах объемной свободной энергии между жидким и твердым состоянием металла (?F= Fж - Fтв). Эта величина и является движущей силой кристаллизации.

Любое фазовое превращение протекает путем возникновения в исходной фазе небольших объемов новой фазы, называемых зародышами или центрами, и последующего их роста. Возникновение кристаллика новой фазы возможно лишь по достижении определенной степени переохлаждения, когда достигается определенное уменьшение объемной свободной энергии (?fv*V), на величину которой уменьшается общая свободная энергия системы (?Ф).

?Ф = - ?fv*V + S*у

V - объем возникающего центра кристаллизации; S - поверхность раздела; у - удельная поверхностная энергия; ?fv - удельная объемная свободная энергия.

Если возникающий зародыш кристаллизации имеет сферическую форму радиусом r, тогда изменение полной свободной энергии системы будет равно:

?Ф = - ?fv*4/3рr3 + 4рr2*у

Следовательно, графическая зависимость изменения свободной энергии от размера возникающего зародыша кристаллизации имеет максимум при некотором значении r, называемом rкр. Этот критический размер зародыша - минимальный размер зародыша, способный к росту при данных температурных условиях, вычисляют по правилам исследования функции на максимум: rкр = 2у/?fv.

?Фкр = - ?fv*4/3рr3кр + 4рr2кр*у = - ?fv*4/3р(2у/?fv)3 + 4р(2у/?fv)2*у, отсюда:

?Фкр = (- 32/3)*(ру3/?fv2) + (48/3)* (ру3/?fv2) = (16/3)* (ру3/?fv2)

Из полученного выражения следует что образование центра кристаллизации сопровождается увеличением полной свободной энергии, равной критическому значению (?Фкр), на величину, составляющую 1/3 от поверхности раздела, а на 2/3 объемной свободной энергией.

3. Параметры кристаллизации и их зависимость от степени переохлаждения. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации

Кристаллизация - процесс перехода метала из жидкого состояния в твердое.

Процесс кристаллизации характеризуется в основном 2 параметрами: скоростью образования кристаллов и скоростью их роста. Скорость образования кристаллов возрастает с повышением степени перенасыщения и зависит от быстроты охлаждения, перемешивания среды и присутствия примесей в растворе. Зародыши кристаллов состоят из небольшого числа молекул вещества и образуются вследствие нарушения состояния равновесия насыщения при понижении температуры и перемешивании. Время, необходимое для возникновения микрокристаллов (т. н. индукционное), может быть ускорено наличием поверхностей раздела между твердой и жидкой фазами, на которых адсорбируются молекулы кристаллизуемого вещества. Такими поверхностями могут служить стенки сосуда, взвешенные коллоидные частицы, аморфные примеси. Рост кристаллов происходит вследствие отложения в кристаллической решетке молекул растворенного вещества, расположенных вокруг кристаллического ядра и создающих „пограничный слой". Состояние пересыщения или ненасыщения пограничного слоя зависит от сил диффузии, возникающих в растворе.

Процесс кристаллизации может происходить лишь при температуре ниже Т0, т. е. при соответствующем переохлаждении. Степень переохлаждения обозначается ?Т - разность между температурой равновесия Т0 и действительной температурой процесса Т1. ?Т = Т0 - Т1.



На кривой охлаждения полученной при кристаллизации металла в момент появления 1-го кристалла в жидкости температура стабилизировалась. Площадка на кривой охлаждения имеет место до тех пор, пока последняя капля жидкости не исчезнет. Последующее охлаждение осуществляется уже в твердом состоянии за счет конвективного теплообмена.

Кривая 1 имеет температуру TS, однако в реальных условиях для протекания процесса кристаллизации металл необходимо переохладить ниже TS. Tкр - фактическая температура. TS - TК - переохлаждение.

Появление площадки на кривой охлаждения обусловлено тем, что в момент появления первых кристаллов выделяется скрытая теплота кристаллизации, которая и компенсирует охлаждение.Наличие горизонтальной площадки объясняется тем, что отвод тепла компенсируется выделяющимися при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Величина переохлаждения влияет на число центров и скорость роста кристаллов. Чем больше скорость, тем выше степень переохлаждения. При очень высоких степенях переохлаждения металл имеет аморфную структуру (безкристаллическую). Аморфные материалы более прочные, имеют ряд специальных свойств (очень хорошо работают в атомной энергетике). Но если этот материал нагреть до определенной температуры, то получается обычный металл с обычными свойствами.

4. Форма и размеры растущих кристаллов. Строение слитка

При малом значении переохлаждения (?Т) форма кристалла будет равновесной. Если увеличивать ?Т форма кристалла изменится (тарельчатая, игольчатая). Наиболее распространенной является дендритная (древовидная).

При затвердевании сначала растут главные оси: оси первого порядка (1), затем - оси побочные: второго (2) и последующего порядков.

Первый случай:

Т0 - температура равновесия, где свободная энергия твердого и жидкого фаз одинаковы.



?Т1 = Т0 - ТS

?Т1 - степень переохлаждения

?Т1 > ?Т2

Движущая сила больше на границе раздела, чем на выступе. Граница движется быстрее, чем выступ. В расплаве имеется положительный температурный градиент.

Рассмотрим другой случай:

Выступ появляется из-за флуктуации; из - за изменения состава.

?Т1 = Т0 - ТS

?Т1 < ?Т2

Граница кристалла движется медленно, а выступ быстрее, Это приводит к росту оси.

Таким образом при наличии отрицательного температурного градиента металлы кристаллизуются в виде дендритов.

Второй случай:

Металл имеет примеси

В твердом состоянии металл растворяет в себе определенное количество примесей. Наличие примесей меняет температуру кристаллизации и температуру равновесия.

?Т1 < ?Т2

В этом случае тоже наблюдается дендритный рост кристалла.

Данное переохлаждение называется концентрационным переохлаждением.

На основании описанных выше закономерностей можно объяснить строение слитка:

Зона 1 образуется в результате очень быстрого охлаждения жидкого металла при соприкосновении его с изложницей. Рост зоны 1 быстро прекращается вследствие того, что выделяющаяся скрытая теплота повышает температуру жидкого металла у фронта кристаллизации. К этому моменту устанавливается хорошо направленный отвод тепла, перпендикулярный стенке изложницы. С этого момента при дальнейшем охлаждении дендриты растут по направлению к середине слитка. Длина столбчатой зоны определяется концентрационным переохлаждением расплава. Когда температура расплава на фронте кристаллизации повысится из-за выделяющейся теплоты кристаллизации, тогда исчезнет концентрированное переохлаждение и рост столбчатых дендритов прекратиться. При дальнейшем охлаждении жидкого металла внутри слитка дендриты зарождаются во многих участках расплава, и формируется центральная зона слитка. Зерна в этой зоне равновесные, ориентированы беспорядочно.

5. Атомно-кристаллическая структура металла. Элементарная кристаллическая ячейка

Под атомно-кристаллической структурой металлов понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. В кристаллах существует не только ближний, но и дальний порядок размещения атомов. Для описания атомно - кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка - воображаемую пространственную сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело).

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

7. Основные типы кристаллической решетки металлов. Их характеристики

Кристаллические решетки делят на семь систем - сингоний, исходя из соотношения между осевыми единицами и углами.

Обозначим ребра ячейки (параллелепипеда) через а, в и с, углы между ребрами б, в и г.

Всего 14 типов кристаллических решеток, они образуют семь сингоний.

Кубическая: а=в=с; б = в= г= 900; Примитивная, ОЦК и ГЦК.

Гексагональная: а=в, но не равно с; б= в= 900, г= 1200; Примитивная

Тетрагональная: а=в, но не равно с; б = в= г=900; Примитивная и ОЦК

Ромбоэдрическая: а=в=с; б = в= г, не равно 900; Примитивная

Ромбическая: а не равен в, не равен с; б = в= г= 900; Примитивная, базоцентрированная, ОЦК, ГЦК.

Моноклинная: а не равен в, не равен с; б = г= 900 ,в не равен 900; базоцентрированная

Триклинная: а не равен в, не равен с; б не равен в, не равен г, не равен 900; Примитивная.

Примитивная: a=2R (атомы соприкасаются, R - радиус атомов);

В металлах образуются только три типа кристаллических решеток:

1) ОЦК- объемно -центрированная кубическая (W, Mo, Cr, V, K, Na, Li, в - Ti, б - Fe, Ta и др.), большая диагональ равна 4R; координационное число - 8.

2) ГЦК - гранецентрированная кубическая решетка (Al, Cu, Ni, Ag, Au, Pb, г - Fe, Ir, Ce и др). Диагональ равна 4R; координационное число - 12.

3)ГП или ГПУ - гексагональная плотноупакованная решетка (Mg, Zn, б - Ti, Cd, Be, б - Zn и др); координационное число - 12.

Каждая решетка имеет свое координационное число - число атомов, находящихся на наиболее близком и одинаковом расстоянии от данного атома. Чем оно больше, тем больше плотность упаковки атомов. Плотность упаковки - отношение объема, занимаемого атомами данной решетки к объему всей решетки.

В ОЦК решетке наименьшее расстояние d = 0,5*а*v3. На этом расстоянии находится 8 атомов. К = 8. Коэффициент заполнения - 0, 68.

В ГЦК - наименьшее расстояние d = 0,5*а*v2. К = 12. Коэффициент заполнения - 0,74.

В ГП решетке - наибольшая плотность атомов при с/а = 1,633. К = 12. Коэффициент заполнения - 0,74.

8. Обозначение кристаллографических плоскостей и направлений. Индексы Миллера

Для определения положения атомных плоскостей в кристаллографических пространственных решетках пользуются индексами Миллера (hkl).

Определение индекса данной плоскости:

Найти точки пересечения данной плоскости со всеми тремя осями координат в кристалле.

Взять обратную величину от найденных чисел.

Привести индексы к наименьшим численным значениям, сокращая при этом их соотношения.

Заключить индексы в круглые скобки (hkl).

С осью х эта грань пересекается в 1; с осью у - ?; с осью z - ?. Обратные величины:

(1;0;0).

Диагональная плоскость: 1;1;?; обратные величины: (1;1;0).

Для обозначения плоскостей ГП решетки кристалла используют индексы Миллера-Браве (hkil), где i = - (h+k).

Кристаллографические направления обозначаются индексами [u v w], где u, v, w - простые числа пропорциональные координатам выбранного узла для осей x,y,z, который лежит на прямой, проходящей через начало координат, выраженных в осевых единицах. Не все плоскости имеют одинаковую плотность атомов. В ОЦК решетке наиболее плотноупакованные (110), в ГЦК - (111), в ГП - (0001).

В следствии неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях многие физические и механические свойства зависят от направления вырезки образцов. Подобная неодинаковость свойств по различным кристаллографическим направлениям называется анизотропией.

Преимущественная ориентировка кристаллографических плоскостей относительно какого-либо направления называется текстурой.

10. Явление полиморфизма в металлах.

Скорость кристаллизации определяется числом зарождающихся центров кристаллизации n и скоростью их роста m . В отсутствии переохлаждения m,n=0. По мере увеличения степени переохлаждения, происходит увеличение числа центров кристаллизации и скорости их роста, причем число n увеличивается быстрее m. Это связано с тем, что с увеличением степени переохлаждения уменьшается критический размер зародыша и их количество. Однако с увеличением степени переохлаждения уменьшается скорость диффузионных процессов, контролирующих рост зародыша. Практически процесс кристаллизации осуществляется по восходящим ветвям. Нисходящие ветви не реализуются, т.к. металл кристаллизуется при постоянной температуре.

Возможное существования металлов в различных кристаллизационных модификациях называется полиморфизмом или аллотропией. При определенных условиях, атомы, образующие кристаллическую решетку одного типа, перестраиваются с образованием кристаллической решетки другого типа. Полиморфное превращение протекает в том случае, если при данной температуре может существовать металл с иной кристаллической решеткой и меньшим запасом свободной энергии.

Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в другую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре (критической точки) и сопровождается выделением тепла, если превращение идет при охлаждении и поглощением тепла в случае нагрева. Полиморфное превращение по своему механизму кристаллизационный процесс и осуществляется путем образования зародышей и последующего их роста в результате перехода атомов из старой модификации в новую. Превращение может быть диффузионным и бездиффузионным (мартенситным). Зародыши новой модификации образуются на границах зерна исходных или в зонах с повышенным уровнем свободной энергии.

В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму. Поэтому такое превращение также называют перекристаллизацией.

Полиморфную модификацию, устойчивую при более низких температурах принято обозначать б, последующие модификации - в> г> д.

К полиморфным металлам относятся: железо, олово, титан, марганец, кобальт.

?Т = Т0 - ТS

При такой степени переохлаждения возникает свободная энергия

?F = Fв - Fб

?Ф = - V*?fV+Sу + z;

- затрата на образование поверхности раздела.

z - упругая энергия, зависит от модуля упругости б и в фаз и от изменения объема при превращении б в в.

?F недостаточно для компенсации энергии новой поверхности раздела между фазами и энергии упругих искажений. Для развития полиморфного превращения необходимо большее переохлаждение. Степень переохлаждения можно уменьшить, если уменьшить (Sу + z).

На границе имеется значительное искажение, граница не имеет общих атомов, имеет разориентир. как большие границы зерен, граница обладает большой энергией, называется некогерентная межфазная граница.

Если кристаллическая решетка одной фазы постепенно переходит в решетку другой фазы, то граница когерентная.

Когерентная граница представляет собой переходную область некоторой толщины. Когерентная граница обладает нулевой поверхностной энергией. Поверхность раздела отсутствует > такое зарождение более выгодное (требует меньшую степень переохлаждения). Полиморфизм проходит по принципу структурного и размерного соответствия Данкова - Конобеевского: «Форма и ориентировка зародышей новой фазы при кристаллизации в анизотропной среде должны способствовать минимуму поверхностной энергии, а такой минимум наблюдается при наибольшем сходстве в расположении атомов на границе старой и новой фаз».

9. Строение реальных кристаллов. Большеуглоугловые и малоугловые границы

Идеальное строение металлов может объяснить многие их свойства: плотность, тепловое расширение, упругие свойства, удельная теплоемкость. Все эти свойства называются структурными, но нечувствительными. Однако, все реальные кристаллы неидеальны. В их строении всегда присутствуют дефекты, называемые несовершенствами или дефектами кристаллического строения. Дефекты оказывают сильное влияние на некоторые важные свойства: прочность, пластичность, электропроводность. Эти свойства, сильно зависящие от дефектов, называются структурными чувствительными. Все дефекты делятся на следующие группы:

1)точечные - вакансии, атомы внедрения, атомы примесей. Эти дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок. Размеры точечных дефектов соизмеримы во всех 3 направлениях с размерами атомов.

Точечные дефекты деформируют решетку. Примесные атомы проникают внутрь кристаллической решетки и называются внедренной примесью. Примеси замещения занимают узлы кристаллической решетки, т.е замещают собственные атомы. В этом случае решетка тоже искажается. Точечные дефекты играют важную роль, особенно вакансии. Они ответственны за процесс диффузии - основной механической диффузии - движение вакансии. Точечные дефекты оказывают влияние на электро и теплопроводность, кроме того, точечные дефекты взаимодействуют с линейными дефектами, оказывают заметное влияние на механические свойства.

2) линейные дефекты - (дислокации) в одном направлении протяженные, а в других соизмеримы с размерами атомов.

Линейные дефекты - цепочки примесных атомов, цепочки внедренных атомов, цепочки вакансий и дислокаций. Поведение дислокаций определяет механические свойства.

Дислокации могут быть краевые и винтовые.

3) поверхностные дефекты - границы зерен, межфазовые границы, дефекты упаковки;

Металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение.

Пусть зерно В можно путем вращения на вектор щ совместить с зерном А. Вектор определяет ось вращения и угол поворота. Если вектор щ лежит в плоскости границы то плоскость называется границей наклона. Если он перпендикулярен границе, то граница называется границей кручения.

В том случае, если разориентация соседних зерен составляе менее 100, граница называется малоугловой, при большей разориентации - большеугловой.

Малоугловые границы представляют собой систему дислокаций, расположенных на определенном расстоянии друг от друга.



Большеугловые границы можно рассматривать как наложенные друг на друга дислокационные ряды, разделенные между собой расстояниями, порядка межатомных. Строение границы зависит от величины разориентации соседних зерен. Большеугловую границу можно представить как поверхность сопряжения S двух кристаллов.

Если атомы одновременно принадлежат решеткам соседних кристаллов, такие границы называются когерентными границами. Атомы границы не являются общими для обоих кристаллов - граница некогерентная.

10. Дефекты кристаллического строения металлов. Точечные дефекты

металл энергия кристаллизация

Дефекты кристаллической решетки разделяют на:

Точечные (нульмерные). Т.е. размеры во всех трех направлениях соизмеримы с параметрами решетки.

Линеиные (одномерные), размеры микро в двух направлениях и макро в одном направлении.

Поверхностные (двумерные), макро размер в двух направлениях.

Объемные (трехмерные), макро размер в трех направлениях.

Точечные дефекты могут быть собственными и примесными. К собственным относят вакансии и межузельные атомы, а к примесным - примесные атомы.

Вакансии представляют собой незаполненные узлы кристаллической решетки.

Межузельный атом - собственный атом, расположенный в межузелье.

Механизм Шоттки - атом поверхностного слоя, приобретая избыток энергии от соседей, испаряется из кристалла, или что еще легче, переходит в адсорбционный слой.

Френкелевская пара - когда атомы выбиваются из узлов решетки и образуют пару - межузельный атом и вакансия.

В кристаллической решетке может быть расположен атом другого металла: (примесный атом)

Атомы в решетке колеблются с частотой н = 1013с-1 ; Энергия 3/2кT = Е; Т = 200С;

Е = 0,3 эВ; Для образования вакансии необходима энергия 1эВ. Потенциальный барьер преодолевается за счет флуктуации (случайное отклонение) энергии. Свободная энергия: vvF = ^U - S^^T.

S - энтропия - мера неупорядоченности. Термодинамически наличие дефектов в кристалле выгодно. сV ~ exp(-EB/кТ)

При Т ~ Ткр - сV ~ 10-4

При Т = 200С - сV ~ 10-20

Вакансии в кристалле могут двигаться, т.е. мигрировать. Высота потенциального барьера называется энергией активации (Ем) миграции вакансий.

Вакансии в кристалле создают поля напряжений, которые являются близкодействующими полями напряжений. Поэтому взаимодействие между вакансиями на больших расстояниях отсутствует.

Вакансии образуются:

- в результате флуктуации энергии при тепловом движении атомов;

- при ядерном облучении металлов и других процессах

- при пластической деформации.

11. Дефекты кристаллического строения металлов. Краевая и винтовая дислокации

Дефекты кристаллической решетки разделяют на:

1. Точечные (нульмерные). Т.е. размеры во всех трех направлениях соизмеримы с параметрами решетки.

2. Линеиные (одномерные), размеры микро в двух направлениях и макро в одном направлении.

3. Поверхностные (двумерные), макро размер в двух направлениях.

4. Объемные (трехмерные), макро размер в трех направлениях.

Одновременное смещение всех атомов одного слоя по отношению к атомам соседнего слоя требует напряжения, равного ф = G/2р или G/6 (теоретическая прочность).

Дислокацией называется линейное несовершенство, являющееся границей зоны сдвига внутри кристалла. Эта граница отделяет ту часть плоскости скольжения, где сдвиг прошел, от той части, где он еще не начинался.

Различают краевую, винтовую и смешанную дислокации.

Смешанная дислокация состоит из участков краевых и винтовых дислокации. Дислокации в отличии от вакансий не являются равновесными. Различают положительные + и отрицательные T дислокации. Положительной называется дислокация, когда экстраплоскость находится выше плоскости скольжения, отрицательной - когда ниже.

На полированной поверхности металла выходы дислокаций видны в виде линий скольжения.

Если дислокации движутся перпендикулярно экстраплоскости, то такое движение называется скольжением или консервативным движением.

Если дислокации движутся вдоль экстраплоскости, то такое движение называется переползанием или неконсервативным.

12. Вектор Бюргерса дислокаций и его свойства

Мерой искажения кристаллической решетки является вектор Бюргерса. Для определения этого вектора строят контур Бюргерса.

Контуром Бюргерса называется замкнутый контур произвольной формы, построенный в реальном кристалле путем последовательного обхода дефектов от атома к атому в совершенной части кристалла.

Вектор Бюргерса определяет энергию дислокаций; величину сдвига и влияет на подвижность дислокаций.

Вектор Бюргерса имеет ряд свойств:

Вектор Бюргерса + к линии краевой дислокации и ¦ линии винтовой дислокации.

Энергия упругих искажений в ядре дислокации пропорциональна квадрату вектора Бюргерса

Его характеризуют две величины: величина его модуля и направление.

Вектор Бюргерса величина нонвариантная, т.е. неизменная, дислокации не могут обрываться в кристалле. Они могут либо выйти на поверхность кристалла, либо замкнуться сама на себе.

13. Понятие о наклепе, текстуре деформации и анизотропии механических свойств

С увеличением степени деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации повышаются, а способность к пластической деформации - пластичность уменьшается. Это явление роста упрочнения получило название наклепа.

При значительной степени деформации в Ме возникает кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующих сил получила название текстуры (текстуры деформации). Текстура деформации - это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения. Она зависит от вида деформирования (прокатка, волочение), кристаллической структуры Ме, наличия примесей и от степени деформации. При прокатке получается более сложная текстура. В этом случае параллельно плоскости прокатки лежит кристаллографическая плоскость, направление которой образует с направлением прокатки определенный угол . Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических и физических свойств. Анизотропия - различие свойств кристаллов в различных направлениях. Анизотропия резче выражена в кристаллах с несимметричной кристаллической решеткой.

При холодной пластической деформации прочностные хар-ки (твёрдость, предел прочности и текучести) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как хар-ки пластичности (относит. удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз.

Упрочнение металлов при холодной пластической деф-ции обусловлено увелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислокаций), увеличением числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентировки м/у блоками.

14. Фазы в сплавах. Понятие о твердом растворе. Виды твердых растворов. Условия их образования

Фазой называется однородная обособленная часть системы (металла или сплава), имеющая одинаковый состав, строение и свойства, отделенная от других частей системы поверхностью раздела.

В сплавах в зависимости от физико - химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Различают:

1.Твердые растворы замещения.

2.Твердые растворы внедрения (ограниченный)



3.Твердые растворы вычитания

Твердые растворы могут быть непрерывными (неограниченными) и граничными (ограниченными). Непрерывными могут быть только твер. р-ры замещения, но не все. Существуют определенные условия образования непрерывных твердых растворов:

Структурное условие. Обе компоненты должны иметь одинаковый тип кристаллической решетки.

Размерное. При замещении одного атома другим обязательно появится искажение кристаллической решетки, это приведет к повышению энергии кристалла, однако в некоторых случаях это допустимо. Твер. р-ры замещения могут образовываться при различии размеров атомов не более чем на 15%. Это правило Юм-Розери.

Химическое условие. Компоненты должны принадлежать или к одной и той же группе таблицы Менделеева или к смежным родственным группам. И должны иметь близкое строение валентных оболочек электронов в атомах. Au - Ag, Mo - W, Bi - Sb, Cu - Ni, Fe - Cr.

Если хотя бы одно условие не выполняется, то образуется граничный раствор.

Твердые растворы внедрения - растворы, в которых атомы растворенного компонента растворяются в межузльях решетки растворителя, они являются граничными растворами.

Rраствор/Rрастворитель ? 0,59

Твердые растворы внедрения образуются на базе переходных металлов Fe,Co,Mn,Mo,W,Ti,V в которых растворяются неметаллы C,N,O,H,B.

Концентрация неметаллов обычно невелика. При образовании твер. р-ов внедрения увеличиваются параметры решетки. В твер. р-ах внедрения сохраняется кристаллическая решетка растворителя и атомы в кристаллической решетке распределяются хаотически.

Твердые растворы вычитания - образуются на основе химических соединений. Обычно вакантные места атомов с более низкой валентностью. Поэтому параметры решетки в них уменьшаются.

Упорядоченные твердые растворы.

Атомы растворенного компонента в них располагаются закономерно. Для некоторых твердых растворов при охлаждении ниже температуры ТК (Курнакова) происходит перераспределение атомов, упорядочение. В результате атомы располагаются закономерно, образуя сверхструктуру. Атомы одного компонента стремятся окружить себя атомами другого компонента. Атомы каждого компонента образуют свою подрешетку: UАВ < UА + UВ

Упорядочение сопровождается изменением физических и механических свойств.



Упорядочение характеризуется степенью данного порядка

з = (r - щ)/ (r + щ)

r - число атомов данного компонента в своей подрешетке.

щ - число атомов данного компонента в чужой подрешетке.

з = 1 - полное упорядочение; з = 0 - полное разупорядочение.

Различают упорядочение первого и второго рода.

Степень данного порядка уменьшается медленно, постепенно до Тк, и скачком. Система в состоянии превращения порядок - беспорядок является двухфазной. Такое упорядочение ведется путем образования центров кристаллизации и их роста.

При таком упорядочении происходит совместное перемещение атомов в одной фазе, т.е. здесь зародышей не образуется. В сплаве существует только одна фаза с различной степенью разупорядочения. Упорядочение влияет не твердость, прочность, хрупкость. Уменьшается электросопротивление.

Чередование не совпадает по фазе, поэтому эти границы называют антифазными границами.

15. Промежуточные фазы - химические соединения и фазы Лавеса.

Химические соединения - фазы постоянного состава. Образуются при взаимодействии металлов с неметаллами при определенных соотношениях элементов, отвечают правилам валентности.

Характерные особенности:

- кристаллическая решетка отличается от кристаллической решетки компонетов, атомы расположены строго упорядоченно.

- имеют достаточно сложную кристаллическую решетку

- всегда сохраняется простое кратное массовое соотношение элементов An : Bm , где n и m - простые числа.

- свойства соединения резко отличаются от свойств компонентов

- соединения имеют постоянную температуру плавления и диссоциации.

- образуются соединения, сопров-ся тепловым дефектам.

- химические соединения образуются между атомами, которые имеют большое различие в электронном строении атомов. Mg2Sn, Mg3Sb2.

- могут образовываться химические соединения с металлами металлов

интерметаллические или интерметаллиды.

Фазы Лавеса имеют постоянный состав, образуются при больших различиях в атомных диаметрах. не подчиняются законам валентности. Компоненты могут принадлежать к любой группе таблицы Менделеева. Имеют кубическую и гексагональную решетку (MgCu2,MgZn2).

у, д, м, R, S, T - фазы характерны для алюминиевых сплавов.

16. Промежуточные фазы - электронные соединения

Электронные соединения - фазы переменного состава, образуются между элементами из следующих групп: с одной стороны- медь, серебро, золото, железо, кобальт, никель, палладий, платина, а с другой стороны - бериллий, цинк, кадмий, олово, кремний. Эти соединения характеризуются постоянным отношением общего числа валентных электронов к общему числу атомов n.

Три таких отношения:

e/n =3/2 - в фаза или в соединение.

Кристаллические решетки: -ОЦК ; -ГП; -типа в - Mn (20 атомов в ячейке)

CuZn e=3; n=2

e/n =7/4 - е - фаза

Образуется: - ГП;

CuZn3; e=7; n=4

e/n =21/13 - г - фаза

Имеет кубическую решетку типа б - Mn (52 атома в ячейке)

Cu5Zn8 21;13.

17. Понятие о диаграммах состояния сплавов. Правило фаз Гиббса

Диаграмма состояния - графическое изображение зависимости фазового состояния сплава от температуры и состава сплава.

Фазовое состояние - природа фаз, химический состав фаз и относительное количество фаз. Диаграммы состояния могут быть построены как экспериментальным путем так и из анализа ТД потенциала. Для равновесных диаграмм состояния действует правило фаз. Каждое состояние системы характеризуется: - температурой; - давлением; - концентрацией отдельных частей системы.

Чтоб знать состояние системы необходимо дать определенные значения этим параметрам системы.

Когда число независимых уравнений равно числу переменных, система называется определенной. Т.е. когда система определена, мы не можем изменить ни один параметр без нарушения равновесия. В этом случае говорят система нонвариантна.

Если число переменных больше чем число связанных независимых уравнений, то система становится неопределенной. Степень неопределенности тем больше, чем больше разность между числом переменных и уравнений.

C = П - У - число степеней свободы или вариантность системы.

С = К - Ф - Р - ПРАВИЛО ФАЗ ГИББСА

К - число компонентов

Ф - число фаз, находящихся в равновесии

Р - число внешних переменных

Внешние переменные:

- гравитационные силы

- магнитные силы

- освещенность

С = К - Ф +1

Правило фаз Гиббса (примеры):

Кристаллизация чистого металла С =1 - 2 + 1 = 0

С = 0 - система нонвариантна

Чистый металл кристаллизуется лишь при определенных температурах.

Если состоит из двух компонентов

А - В (полная растворимость)

К = 2; Ф = 2; С = 1

Система имеет одну степень свободы, т.е. мы можем изменить одну переменную, не нарушая равновесия системы.

При полной растворимости 2 компонентов друг в друге сплав кристаллизуется в интервале температур.

Сплав А - В (ограниченная растворимость)

б - твердый раствор А; в - твердый раствор В.

Ф = 3; К = 2; С =0



Система нонвариантна. Такое равновесие, когда из жидкости образуются сразу 2 фазы называются эвтектическими. Образующаяся смесь называется эвтектикой.

Ж + б > в - перетектическое равновесие.

Правило фаз позволяет проанализировать фазовое равновесие. Правило фаз наблюдается только для равновесных систем.

АО - линия равновесия между твердой и жидкой фазами. ВО - линия равновесия между твердой и газообразной фазами. СО - между жидкой и газообразной. т.О - тоска, в которой находится равновесие ТВ, ж и г сост. системы.

ТВ > Ж > Г при повышении температуры.

Если металл имеет полиморфные превращения, то диаграмма состояния выглядит таким образом:



Несколько равновесных точек. В однокомпонентной системе в равновесии не может быть больше трех фаз.

18. Диаграммы состояний сплавов двойных систем, не имеющих превращений в твердом состоянии. Экспериментальный метод построения

Экспериментальные методы построения диаграмм, « метода:

по горизонтальным разрезам

Этот метод используют для уточнения тех или иных данных

по вертикальным разрезам

при построении снимают кривые охлаждения и анализируют точки фазовых превращений. Этот метод называют термическим анализом.

А-В (неограниченный твердый раствор замещения)

б - неограниченный твердый раствор.

Это неравновесное состояние, но более приближенное.

19. Диаграммы состояний сплавов двойных систем, не имеющих превращений в твердом состоянии. Кристаллизация произвольного сплава. Правило отрезков

Возьмем сплав произвольного состава. Для определения природы фаз, их химического состава, находящегося в равновесии в двухфазной области нужно провести изотерму до пересечения с линиями диаграммы. Точки пересечения показывают, какие фазы находятся в равновесии и каков их химический состав.

Отрезок изотермы а1в1, который соединяет точки пересечения линии ликвидуса и солидуса называется конодой. Концы коноды а1 и в1 показывают составы фаз, которые находятся в равновесии при данной температуре. По конноде можно определить и количество фаз.

Аа1 - показывает процент компонента В в жидкости.

а1В - показывает процент компонента А в жидкости.

Ав1 - процент компонента В в б зоне.

в1В - процент компонента А в б зоне.

Qб/ Qж = с1в1/а1с1

Правило отрезков: «количество каждой фазы существующей в равновесии с другой фазой пропорционально противолежащему отрезку».

20. Диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Дендритная ликвация

В реальных условиях при кристаллизации сплава равновесие не наблюдается, это связано с диффузионными процессами. В жидкой фазе диффузия идет быстро, в твердой - достаточно медленно. В результате образуется неоднородный по химическому составу твердый раствор. Такая химическая неоднородность в пределах зерна или кристалла называется внутрицентренной или дендритной ликвацией.

Оси дендритов первого порядка обогащены более тугоплавкими элементами, чем оси низших порядков.

Между линией солидус и ликвидус существует двухфазное равновесие. В жидком состоянии диффузия идет быстро и химический состав успевает выравниваться при охлаждении. А в твердом состоянии диффузия идет медленно и химический состав не успевает выравниваться при охлаждении. В жидкости состав успевает меняться Ж1>Ж2. А в твердом не успевает =>существует промежуточный состав.

Qб/ Qж = (б4*Ж4)/(б'4*б4)

Линия солидуса не совпадает с равновесной линией солидуса, такой солидус называется неравновесным солидусом. (б1б'2б'3б'4б'5). При неравновесной кристаллизации температурный интервал кристаллизации возрастает.

21. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой

Три класса эвтектики:

нормальная - рождение одной фазы приводит к рождению другой. Сначала зарождаются и растут кристаллы одной из фаз, например б - твердого раствора, богатого компонентом А. При этом жидкость, окружающая этот кристалл б - раствора, обогащается вторым компонентом В , и в результате этого происходит выделение кристаллов в - твердого раствора. .

?F =?Fоб+ ?Fпов

Если кристалл образованной фазы не влияет на рождение другой, он растет сам по себе, то наблюдается аномальная эвтектика.

Вырожденная - одна фаза ярко выражена, другая служит матрицей.

22. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой. Кристаллизация доэвтектического, эвтектического и заэвтектического сплава

Кристаллизация доэвтектического сплава 2. При достижении температуры несколько ниже t4 в жидкости образуются кристаллы твердого раствора б. На кривой охлаждения t4 отмечается перегиб, связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. Процесс кристаллизации б - раствора (т.е. сосуществования двух фаз) будет в интервале температур, т.к. система имеет одну степень свободы (С=2+1-2=1). Процесс выделения б - кристаллов продолжается до температуры t3. Состав кристаллов твердого раствора б в условиях равновесия определяется точками пересечения коноды с линией солидус, а остающейся жидкости - точками пересечения коноды с линией ликвидус. Например, при температуре t5 составу жидкой фазы соответствует точка m', а твердой - n'. При достижении эвтектической температуры tэ кристаллы б достигают предельной концентрации (точка d) бd, а жидкая фаза получает эвтектический состав (точка с) Жс.

Кристаллизация эвтектического сплава протекает при постоянной температуре t3. На кривой охлаждения эвтектического сплава отмечается только горизонтальная площадка при температуре tэ. При этой температуре нонвариантное равновесие С=2+1-3=0. После затвердевания сплав состоит из эвтектики (бd+вe).

Кристаллизация заэвтектических сплавов протекает также, как и доэвтектических сплавов. Однако вместо кристаллов б - твердого раствора из жидкой фазы будут выделяться кристаллы твердого раствора в. Структура заэвтектических сплавов состоит из первичных кристаллов в - фазы и эвтектики бd + вe.

23. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и перитектикой. Кристаллизация сплава произвольного состава, содержащей перитектическую реакцию

Линия acb - ликвидус, adeb - солидус.Точка d - максимальная растворимость компонентов В в компоненте А, а тоска e - предельная растворимость компонента А в компоненте В. Линия cde - линия перитектического превращения. При перитектической температуре, как и при эвтектической, сосуществуют три фазы - жидкая и два твердых раствора б и в. Но при перитектическом превращении из жидкой фазы кристаллизуется только одна фаза, образующаяся в результате взаимодействия ранее выделившейся твердой фазы с жидкой фазой сплава определенных составов. Механизм перитектического превращения на примере кристаллизации сплава 1:

Начало кристаллизации сплава 1 соответствует температуре t1, когда из жидкого сплава начинают выделяться кристаллы в - твердого раствора.

По достижении температуры tп в равновесии находится жидкая фаза состава точки с (Жс) и кристаллы в - твердого раствора состава е (ве). Но следует иметь ввиду, что при tп жидкая фаза одновременно насыщена и кристаллами б. Кристаллы б - твердого раствора образуются в результате перитектической реакции, которая сводится к взаимодействию ранее выделившихся кристаллов в - твердого раствора (ве) и жидкой фазы (Жс): Жс+ве=бd+вe.

Выделившиеся ранее кристаллы в - твердого раствора взаимодействуют с жидкой фазой, и в итоге кристаллизуется б - фаза.

При перитектической температуре сосущест 3 фазы постоянного состава (Жс, бd и вe), что соответствует нонвариантному равновесию и возможно только при постоянной температуре tп.

Для сплава 1 соотношение реагирующих фаз характеризуется избыточным количеством в - кристаллов, поэтому в результате перитектического превращения часть в фазы останется неизрасходованной. Структура сплава 1 после окончания процесса кристаллизации состоит из перитектической структуры б и в - кристаллов.

24. Примеси в стали и их влияние на свойства стали

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на три группы.

1. Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор. Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями. Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, т.е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы. Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке. Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести, но снижает пластичность и вязкость. Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладноломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладноломкости на 20…25oС. Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость. Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием. Сера - уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера - вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение - сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988oС. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами металла => при деформации стали в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается - явление красноломкости. Красноломкость - повышение хрупкости при высоких температурах. Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) - попадают в сталь при выплавке. Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO2, Al2O3 ) нитридов (Fe2N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаются в дефектах (раковинах, трещинах). Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладноломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость разрушения. Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов. Флокены - тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен - хлопьев серебристого цвета. Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности. Влияние водорода при сварке проявляется в образовании холодных трещин в наплавленном и основном металле. Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180, лучше в вакууме. Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3. Специальные примеси - специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.

Размещено на Allbest.ru

...