Атомно-кристаллическая структура металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Тема 1. Атомно-кристаллическая структура металлов

1.1 Классификация металлов

1.2 Кристаллическое строение металлов

1.3 Реальное строение металлических кристаллов

1.4 Несовершенства структуры металлов

Тема 2. Кристаллизация

2.1 Энергетические условия процесса кристаллизации

2.2 Строение металлического слитка

2.3 Полиморфные превращения

Тема 3. Пластическая деформация и механические свойства

3.1 Виды напряжений

3.2 Упругая и пластическая деформация

3.3 Изменение структуры металлов при пластической деформации

3.4 Сверхпластичность: виды, определение, способы получения

3.5 Пути повышения прочности, и пластичности, металла

3.6 Механические свойства при статических испытаниях

Тема 4. Фазы в металлических сплавах

4.1 Твердые растворы

4.2 Химические соединения

Тема 5. Диаграммы состояния сплавов. Правило фаз

5.1 Число степеней свободы

5.2 Диаграммы состояния двойных сплавов

5.2.1 Диаграммы состояния сплавов

Тема 6. Диаграмма состояния железо-цементит: фазы, структурные составляющие

6.1 Влияние компонентов и примесей на свойства стали

Тема 7. Чугуны

7.1 Белые чугуны

7.2 Серые чугуны

Тема 8. Термическая обработка стали

8.1 Классификация видов термической обработки

8.2 Превращение аустенита при охлаждении (перлитное превращение)

8.3 Промежуточное превращение - бейнитное

8.4 Мартенситное превращение

8.5 Технология термической обработки стали

8.6 Закалка стали

8.7 Способы закалки

8.8 Отпуск стали

Тема 9. Химико-термическая обработка сталей

9.1 Цементация сталей

9.2 Азотирование стали

9.3 Упрочняющее азотирование

9.4 Антикоррозийное азотирование

9.5 Нитроцементация и цианирование стали

9.6 Термохимическая обработка

Тема 10. Общая характеристика легированных сталей

10.1 Классификация примесей

10.2 Классификация сталей

Тема 11. Классификация сталей по назначению

11.1 Конструкционные стали

Тема 12. Инструментальные стали

12.1 Инструментальные стали пониженной прокаливаемости

12.2 Инструментальные стали повышенной прокаливаемости (легированные инструментальные стали)

12.3 Быстрорежущие стали

12.4 Штамповые стали

12.5 Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

Тема 13. Цветные металлы и сплавы

13.1 Алюминий и его сплавы

13.2 Классификация алюминиевых сплавов

13.3 Медь и ее сплавы

13.4 Классификация медных сплавов

13.5 Антифрикционные сплавы

13.6 Баббиты

13.7 Подшипниковые сплавы на медной основе

13.8 Подшипниковые сплавы на основе алюминия

13.9 Подшипниковые сплавы на основе цинка

Тема 1. Атомно-кристаллическая структура металлов

1.1 Классификация металлов

Под металлами понимают определенную группу элементов, расположенную в левой части Периодической таблицы Д.И.Менделеева.

Особенность строения металлических веществ заключается в том, что они все построены в основном из таких атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Это обусловливает и особый характер химического взаимодействия атомов металла, и металлические свойства.

Теория металлического состояния рассматривает металл как вещество, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных отрицательно заряженными частицами - электронами, слабо связанными с ядром. Эти электроны непрерывно перемещаются внутри металла и принадлежат не одному какому-то атому, а всей совокупности атомов.

Характерной особенностью атомно-кристаллического строения металлов является наличие электронного газа внутри металла, слабо связанного с положительно заряженными ионами.

Все металлы можно разделить на две большие группы - черные и цветные металлы.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую плотность и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Также металлы можно подразделить следующим образом:

1. Железные металлы - железо, кобальт, никель и близкий к ним по своим свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т.е. 1539 С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

3. Редкоземельные металлы (РМЗ) - лантан, церий, неодим, празеодим и др., объединяемые под названием лантаноидов, и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий.

4. Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением специальных случаев.

Цветные металлы подразделяются на:

1. Легкие металлы - бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы - серебро, золото, металлы платиновой группы.

3. Легкоплавкие металлы - цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами - галлий, германий.

1.2 Кристаллическое строение металлов

Всякое вещество может находится в трех агрегатных состояниях -твердом, жидком и газообразном.

Кристаллическое состояние прежде всего характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве.

В кристалле каждый атом имеет одно и то же количество ближайших атомов - соседей, расположенных на одинаковом от него расстояние.

Расположение атомов в кристалле изображается в виде пространственных схем, в виде так называемых кристаллических ячеек. Под элементарной кристаллической ячейкой подразумевается наименьший комплекс атомов, который при многократном повторение в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решетку .

Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решетка. В простой кубической решетке атомы расположены (упакованы) недостаточно плотно.

Рис.1. Типы кристаллической ячейки: а - кубическая объемно-центрированная, б - кубическая гранецентрированная; с - гексагональная плотноупакованная

Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводят к образованию решеток следующих типов (рис. 1): кубической объем-ноцентрированной, кубической гранецентрированной и гексагональной плотноупакованной (рис.1 ).

В кубической объемно-центрированной решетки (ОЦК) атомы расположены в углах куба и один атом в центре объема куба. в гранецентрированной кубической решетке (ГЦК) -атомы расположены в углах куба и в центре каждой грани, в гексагональной решетке атомы расположены в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы.

Кубическую ОЦК решетку имеют металлы:Na, Li, W, V, Cr и др. Кубическую ГЦК решетку имеют Pb, Ni, Ag, Au, Cu и др.

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами, или периодами решетки. Кубическую решетку определяет один параметр - длина ребра куба. Параметры имеют величины порядка атомных размеров и измеряются в ангстремах.

Некоторые металлы имеют тетрагональную решетку; она характеризуется тем, что ребро с не равно ребру а. Отношение этих параметров характеризует так называемую степень тетрагональности. Число атомов, находящихся на наиболее близком расстояние от данного атома, называется координационным числом. Так например, атом в простой кубической решетке имеет шесть ближайших равноотстоящих соседей, т.е. координационное число этой решетки равно 6 (рис. 2 ).

Центральный атом в объемноцентрированной решетке имеет восемь ближайших равноотстоящих соседей, т.е. координационное число этой решетки равно 8. Координационное число для гранецентрированной решетки равно 12. В случае гексагональной плотноупакованной решетки координационное число равно 12.

1.3 Реальное строение металлических кристаллов

Металлическое изделие состоит из очень большого числа кристаллов. Подобное строение называется поликристаллическим. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом агрегате называются зернами, или кристалликами.

Различие отдельных зерен состоит в различной пространственной ориентации и наименьшем расстоянии от данного атома для различных решеток.

В общем случае ориентация кристаллической решетки в зерне случайна, с разной степенью вероятности может встретится любая ориентация ее в пространстве.

При очень медленном отводе тепла при кристаллизации, а также с помощью других специальных способов может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, называемый монокристалл.

1.4 Несовершенства структуры металлов

Одним из видов несовершенств кристаллического строения является наличие незанятых мест в узлах кристаллической решетки, или иначе - вакансии, или атомных дырок (рис. 2). Такой "точечный" дефект решетки играет важную роль при протекание диффузионных процессов в металлах.

Рис. 2. Точечные дефекты кристаллической решетки

Число вакансий при комнатной температуре очень мало по сравнению с общим числом атомов (примерно 1 вакансия на 10¹⁸ атомов), несильно увеличивается с повышением температуры, особенно вблизи температуры плавления (1 вакансия на 10⁴ атомов). Также возможно наличие межузельных (дислоцированных) атомов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Краевые дислокации

Другим важнейшим видом несовершенства кристаллического строения являются так называемые краевые (линейные) дислокации (рис.3). Связанны с образованием в кристаллической решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость. Край такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется краевой дислокацией. Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки, может быть прямой, но может и выгибаться в ту или иную сторону. В пределе она может закрутиться в спираль, образуя винтовую дислокацию (рис 4). Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Расстояние от центра, дефекта до места решетки без искажения принимают равным ширине дислокации, она невелика и равна нескольким атомным расстояниям.

Рис. 4. Винтовая дислокация

Вакансии непрерывно перемещаются в решетке, когда соседствующий в ней атом переходит в "дырку", оставляя пустым свое старое место. Повышение температуры, тепловой подвижности атомов увеличивает число таких актов и увеличивает число вакансий.

Линейные дефекты не двигаются самопроизвольно и хаотически, как вакансии. Однако достаточно небольшого напряжения, чтобы дислокация начала двигаться, образуя плоскость, а в разрезе - линию скольжения С.

Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропные.

Тема 2. Кристаллизация

В чистых металлах при определенных температурах происходит изменение агрегатного состояния: твердое состояние сменяется жидким при температуре плавления, жидкое состояние переходит в газообразное при температуре кипения. Температуры перехода зависят от давления, но при постоянном давлении они вполне определены.

2.1 Энергетические условия процесса кристаллизации

При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называют кристаллизацией.

В природе все самопроизвольно протекающие превращения, а следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

Энергетическое состояние системы, имеющей огромное число охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией F, называемой свободной энергией:

F = U - TS

где U - внутренняя энергия системы; Т - абсолютная температура; S - энтропия).

При температуре, равной t_s, свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура t_s и есть равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы.

Температура, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением. Разность Дt между температурой t_s и температурой t_k, при которой протекает кристаллизация, называется степенью переохлаждения:

Д t = t_s - t_k

При медленном охлаждении степень переохлаждения невелика, и кристаллизация протекает при температуре, близкой к равновесной. На кривых охлаждения при температурах кристаллизации отмечаются горизонтальные площадки (остановка в падении температуры), образование которых объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается при их росте. Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они могут иметь геометрически относительно правильную форму. При столкновении же растущих кристаллов их правильная форма нарушается. В результате растущие кристаллы, имеющие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму, их называют кристаллитами или зернами.

В процессе кристаллизации возникают зародыши разного размера, однако не все они способны к росту.

Минимальный размер зародыша R_k, способного к росту при данных температурных условиях, называется критическим размеров зародыша.

C увеличением степени переохлаждения размер критического зародыша уменьшается, следовательно, число зародышей, способных к росту, возрастает.

Скорость процесса кристаллизации и строение металла после затвердевания зависят от числа зародышей, возникающих в единицу времени в единице объема и от скорости роста зародышей.

Чем больше центров кристаллизации (зародышей)и меньше скорость их роста, тем мельче кристалл, выросший из одного зародыша (зерно металла). Величина зерна может меняться в пределах от 0,4 до 0,001 мм. При небольшой степени переохлаждения число зародышей мало и скорость роста велика. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения число зародышей возрастет в большей мере, чем скорость их роста и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается. Чем больше размер зерна, тем ниже пластичность и прочность металла.

Для получения мелкого зерна часто используют процесс модифицирования. При модифицировании в расплавленный металл вводят небольшое количество специальных веществ (модификаторов), которые, практически не изменяя его химического состава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и тем способствуют улучшению механических свойств.

2.2 Строение металлического слитка

Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвленные или древовидные кристаллы, получившие название дендритов (рис. 5). При образовании кристаллов первоначально образуются длинные ветви - так называемые оси первого порядка (главные оси). Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах происходит зарождение и рост перпендикулярных к ним таких же ветвей второго порядка. В свою очередь на осях второго порядка зарождаются и растут оси третьего порядка. Правильная форма дендритов искажается в результате столкновения и срастания частиц на поздних стадиях кристаллизации.

Рис. 5. Древовидные кристаллы

2.3 Полиморфные превращения

Значительное число металлов в зависимости от температуры может существовать в разных кристаллических формах или в разных полиморфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестаиваются таким образам, что получается кристаллическая решетка, другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства. металлов принять обозначать буквой б, при более высокой в , а затем г и т.д.

Известны полиморфные превращения Fe б - Feг и др.

Полиморфное превращение осуществляется образованием зародышей и последующим их ростом в результате перехода атомов из старой модификации в новую. Зародыши часто возникают на границах исходных зерен. В результате превращения получаются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму.

Переход металла из одной аллотропической, модификации в другую в условиях равновесия (малой степени переохлаждения) протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением тепла, если превращение протекает при охлаждении, и поглощением тепла в случае нагрева. Поэтому на кривых охлаждения (рис. 6) при температуре полиморфного превращения (несколько ниже t_n ) отмечается площадка. В реальных условиях полиморфные превращения протекают лишь при значительном переохлаждении (перегреве) относительно равновесной температуры полиморфного превращения t_n.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменение компактности кристаллической решетки при переходе из одной полиморфной формы в другую влечет за собой изменение объема вещества и его свойств.

Тема 3. Пластическая деформация и механические свойства

Под механическими свойствами металла (или другого материала) понимают характеристики, определяющие его поведение под действием приложенных к нему внешних механических сил в виде статической, динамической или знакопеременной нагрузок.

К механическим свойствам относят прочность - сопротивление металла (сплава) деформации и разрушению и пластичность - способность металла к необратимой без разрушения деформации (остающейся после удаления деформирующих сил).

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация вызывается внешними силами, приложенными к телу, или происходящими в самом теле физико-механическими процессами (например, изменение объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента).

3.1 Виды напряжений

В случае одноосного растяжения возникающие в теле напряжения равны. Сила Р, (рис. 7) приложенная к некоторой площадке F, обычно направлена к ней под некоторым углом. Поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения.

Образование внутренних напряжений связано в основном с неоднородным распределением деформаций (в том числе и микродеформаций) по объему тела.

Наличие в испытуемом образце механических надрезов, трещин внутренних дефектов металла приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (нормальные напряжения бывают растягивающими и сжимающими) (см. рис. 7). Действие надрезов, сделанных в образце, аналогично конфигурации изделий, имеющих сквозные отверстия, резьбу и т.п., или влиянию внутренних дефектов металла (неметаллических включений, графитных выделений в чугуне, трещин и др.), нарушающих его цельность. Поэтому всевозможные надрезы, отверстия, галтели и другие источники концентрации напряжений называют концентраторами напряжений.

Напряжения вызываются различными причинами. Различают временные, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние остаточные напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.

Внутренние напряжения наиболее часто возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неодинакового расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми.

Кроме того, напряжения возникают в процессе кристаллизации, при неравномерной деформации, при термической обработке вследствие структурных превращений по объему и т.д., эти напряжения называют фазовыми или структурными.

Внутренние напряжения классифицируют на:

Напряжения 1 рода (или зональные), называемые также макронапряжениями, они уравновешиваются в объеме всего тела, возникают главным образом в результате технологических процессов, которым подвергают деталь в процессе ее изготовления.

Напряжения 2 рода уравновешиваются в объеме зерна (кристаллита) или нескольких блоков (субзерен), их называют иначе микронапряжениями. Чаще всего они возникают в процессе фазовых превращений и деформации металла, когда разные кристаллиты и блоки внутри них оказываются в различном упругонапряженном состоянии.

Напряжения 3 рода, локализующиеся в объемах кристаллической ячейки, представляют собой статические искажения решетки, т. е. смещения атомов на доли ангстрема из узлов кристаллической решетки.

3.2 Упругая и пластическая деформация

Упругой называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное, полностью обратимое смещение атомов, или поворот блоков кристалла. После снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние, и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры.

При достижении касательными напряжениями предела или порога упругости деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляется скольжением и двойникованием. Скольжение - смещение отдельных частей кристалла - одной части относительно другой происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины.

Схема упругой и пластической деформаций металла с кубической структурой, подвергнутого действию напряжений сдвига, показана на рис.9..

Скольжение в кристаллической решетки протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу (ф ) наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т.е. связь между ними наименьшая.

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации.

Пластическая деформация металлов с плотноупакованными решетками К12 и Г12, кроме скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования (рис. 8). Двойникование, подобно скольжению, сопровождается прохождением дислокации сквозь кристалл.

3.3 Изменение структуры металлов при пластической деформации

Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла путем сдвига (скольжения) или двойникования. Формоизменение металла при обработке давлением происходит в результате пластической деформации каждого зерна

При больших степенях деформации вследствие скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. Так, до деформации зерно имело округлую форму. После деформации в результате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними.

При больших степенях деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующихся сил получила название текстура деформации.

Наклеп. С увеличением степени холодной деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (у_в, у_{0, 1} твердость и др.), повышаются, а способность к пластической деформации - пластичность(д и ш ) уменьшается. Упрочнение металла в процессе пластической деформации получило название наклепа.

3.4 Сверхпластичность: виды, определение, способы получения

Разрушение металлов. При достаточно высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением. Разрушение состоит из двух стадий - зарождения трещины и ее распространения через все сечение образца (изделия). Возникновение микротрещины чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокации перед препятствием (границы субзерен, зерен, межфазные границы, всевозможные включения и т. д.), что приводит к концентрации напряжений, достаточных для образования микротрещины.

Разрушение может быть хрупким и вязким. Вязкое разрушение происходит со значительной пластической деформацией; при хрупком разрушении пластическая деформация мала.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют "внезапным" или "катастрофическим" разрушением. Вязкому разрушению соответствует большая работа распространения трещины. При хрупком разрушении работа распространения трещины близка к нулю.

По виду микроструктуры различают разрушение транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.

3.5 Пути повышения прочности, и пластичности, металла

Увеличение прочности металла повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей машин. Реально достигнутая прочность металла (техническая прочность) значительно ниже теоретической.

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны бы иметь материалы согласно физическим расчетам сил сцепления в твердых телах. Низкая прочность (сопротивление деформации) металла объясняется легкой подвижностью дислокации. Следовательно, для повышения прочности или необходимо устранить дислокации или повысить сопротивление их движению. Сопротивление их движению дислокации возрастает при взаимодействии их друг с другом и с различного рода другими дефектами кристаллической решетки, создаваемыми при обработке металла.

Дефекты решетки оказывают на сопротивление металла деформации двоякое влияние. С одной стороны, образование в металле дислокации ослабляет металл. С другой стороны, дефекты кристаллического строения упрочняют его, так как препятствуют свободному перемещению дислокации.

Минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокации А, приближенно оцениваемой - 10⁶-10⁸ см^-2. Эта величина относится к отожженным металлам. Если количество дефектов (плотность дислокации) не превышает величины А, то уменьшение их содержания резко увеличивает сопротивление деформации. Прочность в этом случае быстро приближается к теоретической.

В настоящее время удалось получить кристаллы размером 2-10 мм и толщиной от 0, 5 до 2, 0 мкм, практически лишенные дефектов кристаллической решетки (дислокации). Эти нитевидные кристаллы, названные английскими учеными "усами" (whisker), обладают прочностью, близкой к теоретической. Отсутствие дефектов в усах объясняется условиями их роста и малыми размерами. Увеличение размера усов сопровождается резким снижением прочности. При толщине более 0, 25 мкм усы железа по прочности не отличаются от технического железа.

3.6 Механические свойства при статических испытаниях

К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб.

Кривая 1 (рис. 8) характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений, величина которых является условной, ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную площадь поперечного сечения образца (F₀).

Рис. 8. Диаграмма растяжения металлов

Кривая 2 описывает поведение (деформацию) металла под действием напряжений S, величина которых является истинной, ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на площадь поперечного сечения образца в этот же момент.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности (у_п.ц). Обычно определяют условный предел пропорциональности, т.е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью напряжений, увеличивается на 50% от своего значения на линейном (упругом) участке.

Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0, 05% (или еще меньше) от первоначальной длины образца.

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0, 2 %, называют условным пределом текучести (д_{0, 2}).

Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся: относительное удлинение и относительное сужение:

д =(l_k-l₀)*100%/l₀ ; ш =(F₀-F_k)*100%/F₀

где l₀ и l_k - длина образца до и после разрушения;

F₀ и F_k - площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно.

Определение показателей прочности металла у_в, у_т.

Вязкость разрушения (трещиностойкость) К_1С.

Определение твердости HB, HR, HV и микротвердости металлов. Методы, обозначения.

Механические свойства, определяемые при динамических испытаниях: KCV, RCU, KCT.

Порог хладноломкости t₅₀.

Механические свойства при циклических испытаниях: у_R, у_-1.

Тема 4. Фазы в металлических сплавах

Чистые металлы обладают низкой прочностью и в ряде случаев не обеспечивают требуемых физико-химических и технологических свойств. Поэтому в технике их применяют редко. Наиболее широко используют сплавы.

Сплавы получают сплавлением или спеканием двух или более металлов или металлов с неметаллом. Вещества, образующие сплавы, называются компонентами.

Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов и образовывать одну или несколько фаз.

Фазой называется физически и химически однородная часть системы (металла или сплава), имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы поверхностью раздела.

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

4.1 Твердые растворы

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).

Твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Различают твердые растворы замещения (рис. 9) и твердые растворы внедрения (рис.10). При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Атомы растворенного компонента могут замещать любые атомы растворителя.

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства.

При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается и периоды ее изменяются. При образовании твердого замещения период решетки может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента. В случае твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает. Атомы растворенного компонента нередко скапливаются у дислокации.

В растворах замещения атомы меньшего размера (по сравнению с атомами металла растворителя) скапливаются в сжатой зоне решетки (рис.11), атомы больших размеров - в растянутой зоне решетки, при образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного элемента располагаются в растянутой области под краем экстраплоскости; в области дислокации чужеродным атомам легче размещаться, чем в совершенной области решетки, где они вызывают значительные искажения решетки. Атомы внедрения значительно сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Коттрелла. Образование атмосфер сопровождается уменьшением искажений решетки, что предопределяет их устойчивость. Выход или отрыв атомов из атмосферы Коттрелла требует значительной энергии.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образоваться при соблюдении следующих условий:

1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонента.

2. Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать определенной величины-- для сплавов на основе меди до 14-15 %, а для сплавов на основе железа до 9 %.

3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим обладать близким строением валентной оболочки электронов в атомах.

Твердые растворы внедрения могут возникнуть только в тех случаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик. Поэтому твердые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле (например, в железе, молибдене, хром и т.д.) углерода (атомный радиус 0,77A), азота (0,71 А), водорода (0,46 А), т. е. элементов с малым атомным радиусом. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки. Роль этого вида твердого раствора значительна в сталях и чугунах.

Упорядоченные твердые растворы (сверхструктуры). В некоторых сплавах (например, Cu-Au, Fe-Al, Fe-Si, Ni-Mn и др.), образующих при высоких температурах растворы замещения (с неупорядоченным чередованием атомов компонентов), при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенные положения в кристаллической решетке.

Такие твердые растворы получили название упорядоченных твердых растворов или сверхструктур. Образование сверхструктуры сопровождается изменением свойств.

4.2 Химические соединения

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерными особенностями химических соединений, образованных по закону нормальной валентности, отличающими их от твердых растворов, являются следующие:

1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение. Атомы в решетке химического соединения располагаются упорядоченно, т. е. атомы каждого компонента расположены закономерно и по определенным узлам решетки. Большинство химических соединений имеет сложную кристаллическую структуру.

2. В соединении всегда сохраняется кратное массовое соотношение элементов. Это позволяет выразить их состав простой формулой, где А и В - соответствующие элементы; n и m - простые числа.

3. Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

4. Температура плавления (диссоциации) постоянная. В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

Примером типичных химических соединений с нормальной валентностью являются соединения магния с элементами IV --- VI групп периодической системы и др.

Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов или интерметаллических соединений. Химическая связь между атомами в интерметаллидах чаще металлическая.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, имеют некоторые особенности, отличающие их от типичных химических соединений: так, некоторые из них не подчиняются законам валентности и не имеют постоянного состава.

Фазы внедрения. Переходные металлы Fe, Mn, Сг, Мо и др. образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т. е. элементами с малым атомным радиусом, такие соединения, как карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют много общего в строении и свойствах; часто их называют фазами внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу: M₄X(Fe₄) , M₂x(Fe₂N), MX(TiN) и др. Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (R_x) и металла (R_m). Если R_x/R_{m <} 0.59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) или гексагональной (Г12),в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава, а соответствующие им химические формулы обычно характеризуют максимальное содержание в них неметалла. Фазы внедрения обладают высокой электропроводностью, уменьшающейся с повышением температуры, и металлическим блеском. Карбиды, относящиеся к фазам внедрения, плавятся при высокой температуре.

Если условие R_x/R < 0,59 не выполняется, как это наблюдается для кар-бидов железа, марганца и хрома, то образуются соединения с более сложными решетками; такие соединения нельзя считать фазами внедрения.

Электронные соединения. Эти соединения образуются между одновалентными элементами (Си,Ag,Au,Li,Na) или металлами переходных групп (Fe, Mn, Со и др.) и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.). Особенно часто электронные соединения встречаются в сплавах Си, Ag или Au.

Соединения этого типа имеют определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов, т. е. определенную электронную концентрацию. Так, существуют соединения, у которых это отношение в одних случаях равно 3/2 (1,5); в других 21/13 (1,62), в третьих 7/4 (1,75). Каждому из указанных соотношений соответствуют и определенные типы кристаллической решетки.

Электронные соединения подобно обычным химическим соединениями имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки образующих компонентов, но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью электронные соединения образуют с компонентами, из которых они состоят, твердые растворы в широком интервале концентраций.

Тема 5. Диаграммы состояния сплавов. Правило фаз

Система - это совокупность бесконечно большого числа сплавов, образованных данными металлами (и неметаллами).

В металловедении изучают сплавы, в которые входит несколько элементов. Поэтому, когда говорят "система Си-Zn" или "система Fe-Ni", это означает, что рассматривают сплавы, состоящие из этих элементов. В системе Fe-Fe₃C изучают взаимоотношение между Fe и химическим соединением Fe₃C.

Фазой называется однородная часть системы. В сложных системах, состоящих из нескольких фаз, существуют поверхности раздела между фазами. В сплавах: фазами могут быть чистые металлы, жидкие или твердые растворы, химические соединения. Фазы отличаются одна от другой по агрегатному состоянию (жидкий алюминий и твердый алюминий - две разные фазы), химическому составу, т. е. концентрации компонентов в каждой фазе, типу кристаллической решетки (железо с решеткой о. ц. к. и г. ц. к. -тоже две разные фазы). Число сосуществующих фаз обозначают буквой Ф.

Компонент. Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть чистые металлы (элементы) или устойчивые химические соединения. В металловедении под компонентами обычно понимают элементы (металлы и неметаллы), которые образуют сплав. Следовательно, чистые металлы представляют однокомпонентные системы, сплавы из двух элементов - двухкомпонентные системы и т. д. Число компонентов обозначают буквой К.

5.1 Число степеней свободы

Степень свободы определяется числом независимых переменных (например, температура, концентрация сплава, давление), которые можно изменять в определенных пределах, не нарушая равновесия. Равновесным называется состояние сплава, которое не изменяется во времени. При равновесии сохраняется число сосуществующих фаз. Если при этом условии можно менять только температуру (одна переменная), то число степеней свободы равно единице; если и температура, и состав фазы должны быть постоянными, то число степеней свободы равно нулю. Число степеней свободы обозначают буквой С.

Закономерности всех изменений системы в зависимости от внутренних и внешних условий подчиняются правилу фаз.

Правило фаз устанавливает возможное число фаз и условия, при которых они могут существовать в данной системе, т. е. в сплаве из данного числа компонентов. Правило фаз выражает зависимость между количеством фаз, числом компонентов и числом степеней свободы системы:

С=К + В - Ф

где С - число степеней свободы; К - число компонентов; Ф - число фаз;

В - внешние переменные факторы (температура, давление).

Если принять давление постоянным, что допустимо при рассмотрении металлических систем (В = 1), т. е. если из внешних переменных факторов учитывать только температуру, то С =К+1- Ф

Возможные случаи равновесия для однокомпонентных систем. Если в однокомпонентной системе (например, в чистом металле) имеется одна фаза (жидкий или закристаллизовавшийся, т. е. твердый металл), то К = 1 и Ф = 1. Следовательно С = 1+1-1= 1, т. е. имеется одна степень свободы. Это значит, что можно нагреть или охладить металл в определенном интервале температур, сохраняя его однофазным (жидким или твердым). Это положение известно, так как металл можно охлаждать в жидком виде (от температуры затвердевания), сохраняя в нем однофазное состояние.

Если в момент плавления или затвердевания в однокомпонентной системе имеются две фазы (например, жидкий и твердый металл), то К = 1, Ф = 2, следовательно, С=1+1-2 = О, т. е. не имеется ни одной степени свободы. Такое равновесие возможно лишь при постоянной температуре. Следовательно, температура плавления и температура затвердевания однокомпонентных систем, например, чистых металлов, всегда постоянны и пока не исчезает одна фаза (расплавится твердая часть при нагреве или затвердеет жидкая часть при охлаждении), температура остается неизменной.

5.2 Диаграммы состояния двойных сплавов

Диаграмма состояния представляет собой графическую зависимость состояния сплавов данной системы от их концентрации (химического состава) и температуры. По ней можно установить, какие превращения происходят в сплавах при нагреве и охлаждении, определить, при каких температурах произойдет затвердевание.

Диаграммы состояния строят экспериментальным путем на основе результатов термического анализа, изучения структур сплавов в твердом состоянии, по результатам физических методов исследований.

5.2.1 Диаграммы состояния сплавов

Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы.

Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы.

Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы и перитектику.

Смесь кристаллов в сплаве называется эвтектикой или эвтектической смесью, если она закристаллизовалась из жидкости при температуре более низкой, чем температуры плавления отдельных компонентов, образующих этот сплав, (по-гречески eutektos означает легко плавящийся, легкоплавкий).

Процесс образования новой фазы за счет растворения (расплавления) старой фазы в жидкости называется перитектическим. Температура, при которой происходит этот процесс, называется перитектической.

В момент образования твердого раствора при этих условиях должны существовать три фазы: две, взаимодействующие между собой, и третья -твердый раствор, получающийся в результате этого взаимодействия. Следовательно, в соответствии с правилом фаз образование твердого раствора по перитектической реакции идет при постоянной температуре и на диаграмме состояния ему должна соответствовать линия, параллельная оси состава, а на кривых охлаждения - остановка (площадка).

Линия ликвидуса - выше температур, образующих эту линию, все сплавы данной пары компонентов находятся полностью в жидком состоянии.

Линия солидуса - при температурах ниже этой линии все сплавы, состоящие из данной пары компонентов, находятся полностью в твердом состоянии. Между этими линиями часть сплава находится в твердом, а часть - в жидком состоянии.

Для определения относительного количества (массы) сосуществующих фаз и структурных составляющих одного сплава пользуются правилом отрезков коноды.

Конода - это отрезок горизонтальной линии или изотерма, проведенная внутри двухфазной области диаграммы состояния до пересечения с линиями границ двухфазной области.

Правило отрезков коноды. Для определения количества жидкой и твердой фаз сплава по диаграмме состояния:

1. Восстановить перпендикуляр к точке, характеризующей состав данного сплава (т. е. провести линию сплава).

2. При заданной температуре провести коноду - горизонтальную линию (изотерму) до пересечения с линиями ограничивающими данную область.

3. Соотношение между жидкой и твердой частями сплава будет обратно пропорционально отрезкам, на которые линия сплава делит коноду.

4. Для определения количества твердой части сплава надо взять отношение длины отрезка, прилегающего к жидкой части сплава, к длине всей коноды.

5. Для определения количества жидкой части сплава надо взять отношение длины отрезка, прилегающего к твердой части сплава, к длине всей коноды. Поскольку в выражение для количественного определения температура не входит, то правило отрезков верно для любых температур и, следовательно, любых двухфазных областей разных диаграмм состояний.

Тема 6. Диаграмма состояния железо-цементит: фазы, структурные составляющие

Железоуглеродистые сплавы - сложные системы, состоящие из 5-6 и более компонентов. Один из них попадает в сплавы в процессе металлургического передела (кремний, сера, фосфор, кислород, водород и др.) - примеси, другие специально вводятся в сплавы для изменения их свойств в нужном направлении (хром, никель, молибден, вольфрам и др.) - легирующие элементы.

Основными элементами, определяющими структуру и свойства, являются железо и углерод. Поэтому эти сложные сплавы рассматриваются как двойные - железо-углерод, а влияние примесей и легирующих элементов рассматривается самостоятельно в соответствующих разделах. На практике применяются сплавы, содержащие < 6% С.

Соединение Fe₃С (цементит) неустойчиво (метастабильно) и при соответствующих условиях (медленном охлаждении) возможна кристаллизация из жидкости свободного углерода в виде графита. Железоуглеродистые сплавы, содержащие < 6,67% С могут кристаллизоваться по двум типам диаграмм: метастабильной - Fe - Fe₃C, когда свободного углерода не образуется, и стабильной, Fe - С, когда возможно выделение свободного углерода из жидкости или в результате распада цементита. Эти диаграммы изображают на одном графике, линии метастабильной диаграммы сплошные, стабильной пунктирные.

Железо - переходный металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 1,27 А, электронная формула 1S2 2S2 2Р6 3S2 ЗР6 3D6 4S2. Чистое железо содержит 0.001% примесей, техническое железо (армко) - 0,1 % примесей. Температура плавления - 1539 С, кипения - 3200 С.

В твердом состоянии в зависимости от температуры Fe иметь две полиморфные модификации альфа и гамма: Fe - б существует при температурах ниже 910^о С и выше 1392 С^о. В интервале 1392-1539 С^о Fe - б часто обозначают как Fe - г.

Кристаллическая решетка Fe - б объемноцентрированный куб с периодом решетки 2,8606 А.

До 768^о С (точка Кюри) она ферромагнитна, при более высоких температурах - паромагнитна.

Кристаллическая решетка Fe- г - гранецентрированный куб с периодом решетки 3,645 А. Плотность более высокая - 8,0 - 8,1 г/см^З. Это значит, что при полиморфном превращении альфа --> гамма происходит сжатие, объемный эффект - 1% .

Полиморфное превращение связано с различием в изменении величины свободной энергии решетки ОЦК И ГЦК с температурой.

...