Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

материаловедение сплав металлический

Увеличение в ХХI веке доли пластмасс, керамики и композитов сопровождается созданием качественно новых видов материалов, значительно превосходящих по свойствам многие металлические. Уменьшение доли металлических материалов сопровождается также качественным их изменением: практически все новые материалы имеют высоко-, сверх- или ультравысокие свойства.

В начале третьего тысячелетия наиболее распространенными среди металлических материалов останутся железные сплавы и прежде всего - стали.

Конец ХХ столетия характеризовался переходом к применению материалов в метастабильном состоянии, увеличился удельный вес обработки поверхности стали, использования в качестве теплового источника концентрированного потока энергии: наибольшее развитие получили вакуумные, ионные, лазерные и другие процессы.

В новом столетии будут продолжать развиваться на хорошем уровне плазменная, высокочастотная, индукционная, электронная термическая обработка.

В области инженерии поверхности интенсивное развитие в начале ХХI века получат комбинированные процессы, которые резко повышают эксплуатационные свойства поверхности. К ним прежде всего нужно отнести сочетание классических диффузионных процессов насыщения поверхности с нанесением на них покрытий толщиной 3-5 мкм методом химического и физического осаждения и паровой фазы.

Задачей курса «Материаловедение» (раздел металлов и сплавов) является возможность дать студентам - машиностроителям сведения о металлах и сплавах, путях улучшения их механических и эксплуатационных свойств.

1. Цели и задачи материаловедения. Основные понятия о материалах и их свойствах

Материаловедение - наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, объективные закономерности зависимости их свойств от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации и разрабатывающая пути управления свойствами (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Положение металловедения в общей структуре наук

Цель - познание свойств материалов в зависимости от состава и обработки, методов их упрочнения для наиболее эффективного использования в технике, а также создание материалов с заранее заданными свойствами: высокая прочность и пластичность, высокая электропроводность или высокое сопротивление, специальные магнитные свойства, сочетание различных свойств в одном материале (композиционные материалы).

Основные задачи материаловедения:

- раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации;

- установить зависимость между составом, строением и свойствами материалов;

- изучить теорию и практику различных способов упрочнения материалов для повышения высокой надёжности и долговечности деталей, инструмента и изделий;

- изучить основные группы современных материалов, их свойства и области применения;

- дать понятия о современных методах исследования структуры и прогнозирования эксплуатационных свойств материалов и изделий.

Знакомство с основами материаловедения необходимо не только инженерам и научным работникам, но и любому современному человеку.

Как показывает практика и обширные научные исследования в области физики твердого тела (ФТТ) и материаловедения, наличие тех или иных свойств определяется внутренним строением сплавов. В свою очередь, строение сплава зависит от состава и характера предварительной обработки. Таким образом, можно установить следующие связи между характеристиками материала (рис. 1.2):

Рис. 1.2. Схема связей между характеристиками материала

Изучение представленных связей составляет предмет материаловедения. В результате изучения предмета студент должен уметь:

- правильно выбрать материал для изделия;

- назначать его обработку с целью получения заданной структуры и свойств;

- оценивать поведение материала при воздействии на него различных эксплуатационных факторов;

- определять опытным путем основные характеристики материалов.

Основную часть всех материалов составляют металлы.

В физике деление на металлы и неметаллы определяется по поведению электросопротивления материала: у металлов оно определяется электронным строением оболочек и при Т 0 К 0, в то же время у неметаллов, т.е. полупроводников и диэлектриков при Т 0 .

Все металлы делятся на две большие группы: черные металлы и цветные металлы. В свою очередь, эти две группы делятся на подгруппы (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Классификация металлов: а - черных; б - цветных

В зависимости от температуры и давления (для металлов в основном от температуры, Р-соnst) все вещества могут находиться в четырёх агрегатных состояниях: плазмообразном, газообразном, жидком и твердом.

Плазма - ионизированный газ, в котором объёмные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов равны.

В газообразном состоянии атомы практически не связаны друг с другом и хаотически перемещаются в пространстве.

В жидком состоянии атомы слабо связаны друг с другом, существует ближний порядок, вещество занимает форму сосуда, части легко отделимы друг от друга.

В твердом состоянии атомы взаимодействуют друг с другом по определенному закону, в структуре имеется как ближний, так и дальний порядок, атомы образуют кристаллическую решетку того или иного вида.

Переход между агрегатными состояниями сопровождается изменением свободной энергии:

F = U - TS,

где U - внутренняя энергия;

T - температура;

S = q / T - энтропия (связана с теплом).

Исторически сложились два подхода к трактовке свойств и явлений, происходящих в твердых веществах, в частности в металлах:

- макроскопический или феноменологический;

- микроскопический или атомистический.

В макроскопическом подходе характерна трактовка твердого тела как сплошной среды без детализации его внутреннего строения. Подход взят на вооружение сопротивлением материалов и другими науками.

В микроскопическом подходе описание и объяснение свойств твердых тел основано на законах взаимодействия составляющих его частиц, т.е. на атомном уровне. В этом подходе реализуется цепочка: структура - свойство. Микроскопический подход на сегодня является единственным строго научным подходом к интерпретации наблюдаемых свойств и явлений в твердых телах.

2. Атомно-кристаллическое строение металлов

Металлические материалы. 83 из известных 112 химических элементов таблицы Менделеева Д.И. являются металлами. Они обладают рядом характерных свойств:

- высокой тепло- и электропроводностью;

- положительным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление растет);

- термоэлектронной эмиссией (испусканием электронов при нагреве);

- хорошей отражательной способностью (блеском);

- способностью к пластической деформации;

- полиморфизмом.

Наличие перечисленных свойств обусловлено металлическим состоянием вещества, главным из которых является наличие легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости.

Металлическое состояние возникает в совокупности атомов, когда при их сближении внешние (валентные) электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими и свободно перемещаются между положительно заряженными, периодически расположенными ионами. Силы притяжения (силы связи) в твердых телах существенно отличаются по своей природе. Обычно рассматривают четыре основных типа связей в твердых телах: ван-дер-ваальсовые, ковалентные, металлические, ионную.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной ячейкой.

Для характеристики элементарной ячейки используют параметры кристаллической решётки: три ребра а, в, с, измеряемых в ангстремах (1Е = 1* 10^-8см) или в килоиксах - kX (1kX = 1,00202 Е) и три угла , , , а также компактность структуры - отношение объема, занимаемого атомами, к объёму ячейки (для решётки ОЦК = 64%, для решётки ГЦК = 74%) и координационное число К - число ближайших соседей данного атома: для решётки ОЦК это число равно 8, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат восьми элементарным ячейкам (рис. 2.1.а), для решётки ГЦК это число равно 12, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат двенадцати элементарным ячейкам (рис. 2.1.б).

Рис. 2.1. Схема определения координационного числа кристаллической решётки: а - ГЦК; б - ОЦК; в-ГПУ

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

Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию решеток других типов (рис. 2.2):

- объёмноцентрированной кубической решётки (ОЦК) (рис. 2.2а) с параметром

а = 0,28 - 0,6 мм = 2,8 - 6,0 Е

- гранецентрированной кубической решётки (ГЦК) (рис. 2.2б) с параметром

а = 0,25 мм

- гексагональной плотно упакованной решётки (ГПУ) (рис. 2.2в) с параметром

с / а 1,633

Рис. 2.2. Кристаллические решётки: а - гранецентрированный куб (ОЦК); б - объемноцентрированный куб (ГЦК); в-гексагональная плотно упакованная (ГПУ)

Узлы (положения атомов), направления в плоскости и в пространстве обозначаются с помощью так называемых индексов Миллера (рис. 2.3). Индексы узла записываются - (mnp), индексы направления - mnp, индекс плоскости - (hk1).



Рис. 2.3. Символы некоторых важнейших узлов, направлений и плоскостей в кубической решётке

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решётки многие свойства отдельно взятого кристалла (химические, физические, механические) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропны. Анизотропия - особенность любого кристалла, характерная для кристаллического строения.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из совокупности кристаллитов с различной ориентацией. При этом свойства во всех направлениях усредняются.

2.1 Строение реальных кристаллов

Реальный кристалл состоит из скопления большого числа мелких кристаллов неправильной формы, которые называются зернами или кристаллитами (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Блочная структура кристалла: схема (а); реальная блочная структура в алюминии (б), наблюдаемая в электронном микроскопе на просвет, (х 35000)

Зерно не является монолитным кристаллом, построенным из строго параллельных атомных слоев. В действительности оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков, кристаллографические плоскости в которых повернуты друг относительно друга на небольшой угол - порядка нескольких минут. Такое строение зерна носит название мозаичной структуры, а составляющие ее блоки называются блоками мозаики.

Часто блоки объединяются в более крупные агрегаты - так называемые фрагменты. Фрагменты в свою очередь разориентированы относительно друг друга в несколько градусов. Зерна ориентированы случайно по отношению друг к другу. Преимущественная ориентация зерен называется текстурой. Поверхность раздела зерен называется границей.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из совокупности кристаллитов с различной ориентацией, что приводит к изменению свойств металлов при различных процессах их обработки.

При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации, может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, который называют монокристаллом.

2.2 Дефекты кристаллического строения

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. Реальные кристаллы всегда содержат несовершенства (дефекты) кристаллического строения, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве:

1. Точечные. Точечными дефектами называются нарушения периодичности кристалла, размеры которых сопоставимы с размерами атома во всех измерениях.

К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы, примеси замещения, примеси чужеродных атомов внедрения (рис. 2.5).



Рис. 2.5. Точечные дефекты в кристаллической решетке: а - вакансия; б - межузельный атом; в-дефект Френкеля; г - примесные атомы замещения (большой) и внедрения (маленький).

Стрелками указаны направления смещений атомов в решетке.

Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация вакансий, а также межузельных атомов. Например, в меди при температуре 20-25 ^оС содержится 10^-13 ат.% вакансий, а вблизи точки плавления - уже 0,01 ат.% (одна вакансия приходится на 10⁴ атомов).

Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами. Чем выше температура, тем больше концентрация вакансий и тем чаще они переходят от узла к узлу. Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов: диффузию, спекание порошков и т.д.

2. Линейные. Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации - линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла.

Важнейшие виды линейных несовершенств - краевые и винтовые дислокации (рис. 2.6).

а б

Рис. 2.6. Схема дислокаций: а - краевая; б - винтовая

Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решетке (рис. 2.7)

Рис. 2.7. Сечение простой кубической решетки: а - с краевой дислокацией; б - без дислокации

Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Схема образования атмосферы Коттрелла в кристалле представлена на рисунке 2.8.

Рис. 2.8. Образование атмосферы Коттрелла: а - атомы примеси замещения (заштрихованы) и внедрения беспорядочно расположены в решетке; б, в-атомы примеси переместились к дислокации, в результате чего энергия решетки понизилась

3. Поверхностные (двумерные). Под этими дефектами понимают нарушения, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в несколько межатомных расстояний в третьем измерении.

К поверхностным дефектам относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен.

4. Объемные (трехмерные). Под ними понимают нарушения, которые в трех измерениях имеют неограниченные размеры. К таким нарушениям относят трещины, поры, усадочные раковины.

2.3 Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм

Атомы данного элемента могут образовать, если исходить только из геометрических соображений, любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

Так, разные металлы образуют разные виды кристаллической решетки:

- Li, Na, K, Mo, W - ОЦК;

- Al, Ca, Cu, Au, Pt - ГЦК;

- Mg, Zr, Hf, осмий - ГПУ.

Однако в ряде случаев при изменении температуры или давления может оказаться, что для одного и того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая существует при данной температуре или давлении. Так, например, существует железо с решетками объемно-центрированного и гранецентрированного кубов, обнаружен кобальт с гранецентрированной и с гексагональной решетками.

Существование одного и того же металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными или аллотропическими модификациями (таблица 2.1).

Таблица 2.1. Аллотропические модификации металлов

Металл	Группа	Модификация	Кристаллическая решетка
Кальций	II-A	Сa до 450 Ca 450-851	Кубическая гранецентрированная Гексагональная плотноупакованная
Галлий	III-B	Ga Ga	Ромбическая Тетрагональная
Таллий	III-B	Tl до 262 Tl 262-304	Гексагональная плотноупакованная Кубическая объемноцентрированная
Титан	IV-A	Ti до 882 Ti 882-1725	Гексагональная плотноупакованная Кубическая объемноцентрированная
Цирконий	IV-A	Zr до 862 Zr 862-1830	Гексагональная плотноупакованная Кубическая объемноцентрированная
Гафний	IV-A	Hf до 1610 Hf 1610-1952	Гексагональная Кубическая объемноцентрированная
Олово	IV-B	Sn до 18 Sn 18-232	Алмазная Тетрагональная объемноцентрированная
Вольфрам	VI-A	W до 650 W 650-3400	Кубическая объемноцентрированная Сложная (нерасшифрованная)
Уран	VI-A	U до 660 U 660-770 U 770 - 1133	Ромбоэдрическая Тетрагональная Кубическая объемноцентрированная
Марганец	VII-A	Mn до 742 Mn 742-1080 Mn 1080-1180 Mn 1180-1242	Кубическая сложная «« Тетрагональная гранецентрированная Неизвестна
Железо	VIII	Fe до 910 1401-1539 Fe 910-1401	Кубическая объемноцентрированная Кубическая гранецентрированная
Кобальт	VIII	Co до 477 Co 477-1490	Гексагональная плотноупакованная Кубическая гранецентрированная

Аллотропические формы обозначаются греческими буквами , , и т.д., которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Аллотропическая форма при самой низкой температуре, обозначается буквой , следующая - и т.д.

Явление полиморфизма основано на едином законе об устойчивости состояния с наименьшим запасом энергии. Запас свободной энергии зависит от температуры. Поэтому в одном интервале температур более устойчивой является одна модификация, а в другом - другая. Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного (аллотропического) превращения.

Механизм роста кристаллов новой фазы может быть нормальным кристаллизационным и мартенситным. Нормальный механизм роста - это зарождение новой фазы на границах зерен, блоков, фрагментов при малых степенях переохлаждения (Sn Sn).

Мартенситный механизм реализуется при низких температурах и большой степени переохлаждения, при малой диффузионной подвижности атомов путем их сдвига (смещения) по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Новая фаза имеет форму игл и растет очень быстро (Co Co).

Аллотропическое превращение сопровождается изменением свойств, объема и появлением внутренних напряжений.

3. Кристаллизация металлов и сплавов

3.1 Энергетические условия процесса кристаллизации

В зависимости от температуры любое вещество (система) может быть в твердом, жидком или в газообразном состояниях. В физической химии системой называют совокупность индивидуальных веществ (химические элементы, независимые химические соединения), между которыми или частями которых обеспечена возможность обмена энергией, а также процессов диффузии.

Вещества, которые образуют систему, называются компонентами системы. Компоненты в системе присутствуют в разных фазах.

Фазой называется однородная часть системы, ограниченная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.

Процесс перехода из жидкого или газообразного состояния в твердое, в результате чего образуется кристаллическая решетка и возникают кристаллы, называется кристаллизацией.

Чем объясняется существование при одних температурах жидкого, а при других температурах твердого состояния и почему превращение происходит при строго определенных температурах?

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, которая определяется:

F= U - TS,

где U - внутренняя энергия системы;

Т - абсолютная температура;

S - энтропия

Можно сказать, что чем больше свободная энергия системы, тем система менее устойчива, и если имеется возможность, то система переходит в состояние, где свободная энергия меньше.

С изменением внешних условий, например температуры, свободная энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и твердого состояний (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояний в зависимости от температуры

Выше температуры Т_s меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже T_s - вещество в твердом состоянии. Следовательно, выше T_s вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже T_s - в твердом, кристаллическом.

Очевидно, что 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. Однако, при T_s F_ж = F_кр, и процесс кристаллизации (плавления) не может идти, так как при равенстве свободных энергий обеих фаз плавление (кристаллизация) не будут сопровождаться уменьшением свободной энергии.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Их кривых (рис. 3.1) видно, что это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаждена ниже точки T_s.

Температура, при которой практически начинается кристаллизация, может быть названа фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже температуры кристаллизации называется переохлаждением.

Обратное превращение из кристаллического состояния в жидкое может произойти только выше температуры T_s, это явление называется перенагреванием.

Величиной или степенью переохлаждения называют разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации T = T_s - T_ф.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время - температура (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Кривые охлаждения, полученные при кристаллизации металла

Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры и может быть названо простым охлаждением, так как при этом нет качественного изменения состояния. При достижении температур кристаллизации на кривой температура - время появляются горизонтальные площадки (рис. 3.2), так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации.

3.2 Механизм процесса кристаллизации

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые называются зародышами или центрами кристаллизации. Второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров.

Модель кристаллизации металла в первые 7 секунд охлаждения представлена схемой процесса кристаллизации (рис. 3.3) и кинетической кривой кристаллизации (рис. 3.4).

Рис. 3.3. Схема процесса кристаллизации



Рис. 3.4. Кинетическая кривая кристаллизации

По мере развития кристаллизации в нем участвуют все большее и большее число кристаллов. Поэтому процесс вначале ускоряется, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кристаллов начинает заметно препятствовать их росту. Рост кристаллов замедляется еще и потому, что количество жидкости, в которой образуются новые кристаллы, становится все меньше. В процессе кристаллизации, пока кристалл окружен жидкостью, он часто имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается. Внешняя форма кристалла оказывается зависимой от условий соприкосновения растущих кристаллов. Вот почему кристаллы металла - зерна (кристаллиты) не имеют правильной формы.

Скорость всего процесса кристаллизации количественно определяется двумя величинами: скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов (рис. 3.5).



Рис. 3.5. Зависимость скорости кристаллизации (СК) и скорости зарождения центров кристаллизации (ЧЦ) от степени переохлаждения

Величины оптимального переохлаждения до достижения максимальной скорости кристаллизации (СК) и до образования максимального числа центров кристаллизации (ЧЦ) не совпадают.

Размер образовавшихся кристаллов зависит от соотношения СК и ЧЦ. При большом значении СК и малом значении ЧЦ образуется мало крупных кристаллов. При малых значениях СК и больших ЧЦ образуется большое число мелких кристаллов.

Размер зерна определяется по формуле

N = k СК / ЧЦ,

где N - размер зерна;

k - коэффициент пропорциональности;

СК - скорость кристаллизации;

ЧЦ - число центров кристаллизации

Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером зародыша.

3.3 Аморфное состояние металлов

В соответствии с кривыми зависимости скорости кристаллизации и скорости зарождения центров кристаллизации от степени переохлаждения (рис. 3.5), при сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния ( 10^{6 о}С/с) диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов, жидкость сохраняется не превращенной, не закристаллизовавшейся. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой получили название аморфные сплавы или металлические стекла.

Аморфное состояние обеспечивает металлическим материалам свойства, значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической структурой. Аморфные металлические материалы удачно сочетают высокие прочность, твердость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью. Большое практическое значение имеет также и возможность получения аморфных металлов в виде ленты, проволоки диаметром несколько микрометров непосредственно при литье, минуя такие дорогостоящие операции, как ковка, прокатка, волочение, промежуточные отжиги, зачистки, травление.

Затвердевание с образованием аморфной структуры принципиально возможно практически для всех металлов. В настоящее время аморфная структура получена у более чем 20 чистых металлов и полупроводниковых материалов и более 110 сплавов.

Сверхвысокие скорости охлаждения для получения аморфной структуры можно получить такими способами, как катапультирование капли на холодную пластину, центрифугирование капли или струи, распыление струи газом или жидкостью с высокой охлаждающей способностью и др. Наиболее эффективными способами получения лент, пригодных для практического применения, считают охлаждение жидкого металла на внешней или внутренней поверхностях вращающихся барабанов, изготовленных из материалов высокой теплопроводности, прокатку между холодными валками металла, подаваемого в виде струи.

Тонкий слой аморфного металла получают при расплавлении поверхности изделий лазерным лучом благодаря быстрому отводу теплоты при затвердевании массой основного металла.

Металлические материалы с аморфной структурой можно получить не только при затвердевании из жидкого состояния, но и путем сверхбыстрого охлаждения из газовой среды (парообразного или ионизированного состояния), электролизом и катодным распылением с высокими скоростями осаждения.

3.4 Реальная форма кристаллических образований

Реально протекающий процесс кристаллизации усложняется действием различных факторов:

- скорости и направления отвода тепла;

- наличия нерастворившихся частиц (центров кристаллизации);

- конвекционных токов жидкости.

В направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в другом направлении.

Если на боковой поверхности растущего кристалла возникнет бугорок, то кристалл приобретает способность расти и в боковом направлении. В результате образуется древовидный кристалл, так называемый дендрит (рис. 3.6).



Рис. 3.6. Схема строения дендрита: 1, 2 и 3 - оси соответственно первого, второго и третьего порядков

Дендритное строение типично для литого металла. Дендрит состоит из ствола (ось первого порядка), от которого идут ветви (оси второго и третьего порядков). Чем быстрее было охлаждение при кристаллизации, тем меньше размеры (высота) дендрита и меньше расстояния между ветвями второго порядка. Если условия благоприятны, охлаждение медленное, то могут вырасти огромного размера дендриты. В обычных слитках массой в сотни килограммов или несколько тонн, дендриты имеют размеры несколько десятков миллиметров и меньше.

3.5 Получение монокристаллов

Большое научное и практическое значение имеют монокристаллы, которые отличаются минимальными структурными несовершенствами. Получение монокристаллов позволяет изучать свойства металлов, исключив влияние границ зерен.

Монокристаллы можно получить, если создать условия для роста кристалла только из одного центра кристаллизации. Существует несколько методов, в которых использован этот принцип. Важнейшими из них являются методы Бриджмена и Чохральского (рис. 3.7).



Рис. 3.7. Схемы установок для выращивания монокристалла: а - метод Бриджмена; б - метод Чохральского

Метод Бриджмена (рис. 3.7а) состоит в следующем: металл, помещенный в тигель с коническим дном 3, нагревается в вертикальной трубчатой печи 1 до температуры на 50-100 ^оС выше температуры его плавления. Затем тигель с расплавленным металлом 2 медленно удаляется из печи. Охлаждение наступает в первую очередь в вершине конуса, где и появляются первые центры кристаллизации. Монокристалл 4 вырастает из того зародыша, у которого направление преимущественного роста совпадает с направлением перемещения тигля. При этом рост других зародышей подавляется. Для непрерывного роста монокристаллов необходимо выдвигать тигель из печи со скоростью, не превышающей скорость кристаллизации данного металла.

Метод Чохральского (рис. 3.7б) состоит в вытягивании монокристалла из расплава. Для этого используется готовая затравка 2 - небольшой образец, вырезанный из монокристалла по возможности без структурных дефектов. Затравка вводится в поверхностный слой жидкого металла 4, имеющего температуру чуть выше температуры плавления. Плоскость затравки, соприкасающаяся с поверхностью расплава, должна иметь кристаллографическую ориентацию, которую желательно получить в растущем монокристалле 3 для обеспечения наибольших значений тех или иных свойств. Затравку выдерживают в жидком металле для оплавления и установления равновесия в системе жидкость - кристалл. Затем затравку медленно, со скоростью, не превышающей скорости кристаллизации (1-2 мм/мин), удаляют из расплава.

Очень перспективно выращивание монокристаллов в космосе, где удачно сочетаются глубокий вакуум и невесомость. Монокристаллы, выращенные в космосе, совершеннее по структуре и распределению легирующих добавок (примесей), лучше по свойствам и значительно больше по размерам.

3.6 Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы - это жидкости с упорядоченной молекулярной структурой. Благодаря упорядочению молекул они занимают промежуточное положение между кристаллами и обычными жидкостями с беспорядочным расположением молекул. Жидкие кристаллы текучи, как обычные жидкости, но в то же время обладают анизотропией свойств, как кристаллы.

Известно несколько сотен жидких кристаллов, важное место среди них занимают некоторые органические вещества, у которых молекулы имеют удлиненную форму.

По структуре жидкие кристаллы разделяют на три класса (рис. 3.8):

- I (нематические);

- II (смектические);

- III (холестерические).



Рис. 3.8. Типы структур жидких кристаллов: а - нематические; б - смектические; в-холестерические

Ориентационный порядок в расположении молекул создает анизотропию: показатель преломления света, диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление, вязкость и многие другие свойства зависят от направления, вдоль которого измеряют их величины, например, параллельно или перпендикулярно осям молекул.

Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, электрического поля, нагрева. Это явление дает возможность управлять их свойствами путем слабых воздействий и делает жидкие кристаллы незаменимыми материалами для изготовления особо чувствительных индикаторов.

Способность изменять оптические свойства жидких кристаллов первого класса, а также кристаллов третьего класса под влиянием электрического поля и температурных условий широко используется в приборостроении.

В жидких кристаллах первого класса наблюдается электрооптический эффект динамического рассеяния света.

Жидкие кристаллы используют в цветных индикаторах и других цветовых устройствах. Для цветных изображений применяют смеси жидких кристаллов с красителями, также имеющими продолговатые молекулы.

На основе жидких кристаллов изготовляют медицинские термометры, датчики температуры для контроля перегрева узлов и деталей, преобразователи невидимого инфракрасного излучения в видимый свет. В последнем случае поглощение инфракрасного излучения нагревает жидкий кристалл так, что изменяется окраска отраженного света. Жидкие кристаллы применяют в модуляторах, системах отображения информации - калькуляторах, ручных часах, измерительных приборах автомобилей, устройствах для отклонения светового потока и др.

3.7 Строение стального слитка

Различные сочетания факторов, влияющих на кристаллизацию, приводят к своеобразной структуре стальных слитков.

Типичная структура слитка состоит из трех основных зон (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Схема строения стального слитка

Первая зона - наружная мелкозернистая корка I, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов - дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и, как следствие, явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.

Вторая зона - зона столбчатых кристаллов II. После образования самой корки условия теплоотвода меняются (из-за теплового сопротивления, из-за повышения температуры стенки изложницы и других причин), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате, из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки (т.е. в направлении отвода тепла) столбчатые кристаллы.

Третья зона слитка - зона равноосных кристаллов III. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. Температура застывающего металла успевает почти уравняться в различных точках, и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние вследствие образования в различных ее точках зачатков кристаллов. Далее зачатки разрастаются осями - ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом. В результате этого процесса образуется равноосная структура. Зародышами кристалла здесь являются обычно различные мельчайшие включения, присутствующие в жидкой стали или случайно в нее попавшие, или не растворившиеся в жидком металле.

Применяя различные технологические приемы, можно изменить количественное соотношение зон или исключить из структуры слитка какую-либо зону вообще (рис. 3.10).



а б

Рис. 3.10. Схемы макроструктур слитков: а - столбчатые кристаллы; б - равноосные кристаллы

Например, перегрев сплавов перед разливкой и быстрое охлаждение при кристаллизации приводят к формированию структуры, состоящей практически из одних столбчатых кристаллов (рис. 3.10а). Такая структура называется транскристаллической. Подобную структуру имеют слитки очень чистых металлов. Зона столбчатых кристаллов характеризуется наибольшей плотностью, но в месте стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси, и слитки с транскристаллической структурой часто растрескиваются. Транскристаллическая структура в сварных швах уменьшает прочность.

На практике для измельчения структуры металлов и сплавов широко применяют технологическую операцию, называемую модифицированием. Она состоит во введении в жидкий сплав перед разливкой специальных добавок (модификаторов). В качестве модификаторов используют поверхностно-активные вещества (например, бор в стали, натрий в алюминии и его сплавах) и элементы, образующие тугоплавкие тонкодисперсионные частицы (например, титан, цирконий в алюминии и его сплавах; алюминий, титан в стали). Модификаторы добавляют в сплавы в количествах от тысячных до десятых долей процента.

Слитки сплавов имеют неоднородный состав. Неоднородность сплава по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям, образующаяся при кристаллизации слитка, называется ликвацией.

Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства. В реальных слитках помимо зональной встречаются и другие виды ликвации: внеосевая, дендритная, карбидная, подусадочная, угловая, гравитационная.

Так, гравитационная ликвация образуется в результате разницы в удельных весах твердой и жидкой фаз, а также при кристаллизации несмешивающихся жидких фаз.

Жидкий металл имеет больший объём, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объёме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами. Усадочные раковины могут быть сконцентрированы в одном месте, либо рассеяны по всему объёму слитка или по его части. Они могут быть заполнены газами, растворимыми в жидком металле, но выделяющимися при кристаллизации.

В хорошо раскисленной, так называемой спокойной стали, отлитой в изложницу с утепленной подложкой, усадочная раковина образуется в верхней части слитка и в объёме всего слитка содержится малое количество газовых пузырей и раковин. Недостаточно раскисленная, так называемая кипящая сталь, содержит раковины и пузыри во всем объёме. Поэтому спокойный металл более плотный, чем кипящий.

3.8 Методы исследования структуры

Исследование структуры металлов может проводиться:

- методом световой микроскопии;

- методом электронной микроскопии;

- рентгеноструктурный анализ;

- рентгеноспектральный анализ;

- дополнительные методы исследования.

При методе световой микроскопии с помощью различных микроскопов можно увидеть размер, форму и взаимное расположение зерен, достаточно крупные включения, некоторые крупные дефекты кристаллического строения. Для исследования готовят микрошлифы (поверхность образца должна быть отполирована до зеркального блеска, а затем протравлена специальными реактивами).

Метод электронной микроскопии проводится с помощью электронных микроскопов, которые делятся на просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) и растровые электронные микроскопы (РЭМ). Метод основан на прохождении, преломлении, рассеивании и отражении электронного пучка от поверхности исследуемого микрошлифа. При этом можно увидеть детали структуры менее 0,1 мкм, однако, этот метод требует сложной подготовки образца, особенно при исследовании на просвечивающем электронном микроскопе.

Рентгеноструктурный анализ изучает строение решетки и основан на исследовании микрошлифа путем рассеивания рентгеновских лучей.

Методом спектрального анализа и аналитической химии можно определить состав сплава, при этом достигается высокая точность при определении распределения компонентов.

К дополнительным методам для определения тонкой структуры металлов и сплавов, включая дефекты типа вакансий и дислокаций, относятся:

- нейтронография;

- ядерный гамма-резонанс;

- автоионная микроскопия;

- оже-электронная спектроскопия.

4. Механические свойства металлов и сплавов

4.1 Упругая и пластическая деформация. Несовершенства решетки и прочность металлов

Из свойств, которыми могут обладать материалы, механические свойства в большинстве случаев являются важнейшими. Все наиболее ответственные детали и изделия изготавливают из металлов.

Для металлов характерна металлическая связь, когда в узлах кристаллической решетки расположены положительно заряженные ионы, окруженные электронным газом. Наличие металлической связи придает материалу (металлу) способность к пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации.

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо, прежде всего, учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение - величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца.

Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Пластичность - свойство твердых тел, не разрушаясь, необратимо изменять свои внешние формы (пластически течь) под действием внешних сил или внутренних напряжений. Пластические изменения формы металлического тела называют пластической деформацией.

Пластическая деформация может осуществляться скольжением и двойникованием, обычно при участии дислокационных дефектов (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема процесса скольжения и двойникования

Чем больше в металле плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации (рис. 4. 2). Металлы, имеющие кристаллическую решетку ОЦК и ГЦК, пластичны.

Рис. 4.2. Плоскости и направления (заштрихованные плоскости) скольжения в кристаллической решетке: а - ГЦК; б - ОЦК; в-ГПУ

Скольжение - последовательное перемещение одной части кристалла по отношению к другой в результате перемещения уже имеющихся в кристалле дислокаций или только возникающих (рис. 4.3).



Рис. 4.3. Схема дислокационного механизма пластической деформации

Чтобы представить особенности движения дислокаций на разных стадиях деформирования, на рис. 4.4 показана кривая деформационного упрочнения, типичная для монокристалла с решеткой ГЦК.

Рис. 4.4. Кривая деформационного упрочнения, типичная для монокристаллов ГЦК

Упрочняемость металла зависит от количества дислокаций, участвующих в процессе пластической деформации, и характера их движения.

На стадии I (рис. 4.4) наблюдается скольжение единичных дислокаций (ламинарное движение), торможение которых (упрочнение) осуществляется только границами субзерен и поэтому невелико.

На стадии II начинается турбулентное скольжение большого числа дислокаций. Упрочнение происходит за счет малоподвижных порогов и барьеров. Скорость упрочнения максимальная.

На стадии III скольжение идет преимущественно за счет поперечного скольжения винтовых дислокаций.

Для различных металлов степени развития этих стадий различны.

Упрочнение (наклеп) при пластической деформации обусловлено образованием малоподвижных порогов и барьеров при пересечении дислокаций, увеличением плотности дислокаций, измельчением зерна.

Формоизменение поликристаллического тела при обработке давлением - более сложный процесс. Пластическая деформация происходит в каждом из зерен, которые различно ориентированы по отношению друг к другу и к деформирующей нагрузке, различны по форме и размерам и обладают неодинаковыми физико-механическими свойствами. Кроме того, при пластической деформации поликристаллов большую роль играют межкристаллитные прослойки - границы зерен (рис. 4.5).



Рис. 4.5. Схема образования текстуры в поликристаллитном теле: а - расположение зерен; б - изменение формы зерен в направлении главной деформации; в-текстура

Различают два вида деформации: внутрикристаллитную (по зерну) и межкристаллитную (по границам зерен).

Внутрикристаллитная деформация осуществляется путем сдвига, скольжения, двойникования, как в монокристалле.

Межкристаллитная деформация осуществляется путем поворота, перемещения одних зерен относительно других.

Оба вида деформации протекают одновременно. Деформация начинается в зернах, плоскости скольжения которых составляют угол 45^о с направлением усилия (рис. 4.5 а).

При большой деформации в результате процессов скольжения зерна меняют свою форму, вытягиваются в направлении главной деформации (рис. 4.5 б) и образуют волокнистую или слоистую структуру. Такую структуру называют текстурой (рис. 4.5 в), приводящей к анизотропии свойств металла.

Металлы с ГЦК - решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК - решеткой.

В результате пластической деформации с ростом плотности дислокаций возрастает предел прочности металла, образуется текстура, возрастают сопротивляемость металла деформации и твердость, уменьшается пластичность и ударная вязкость, повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, уменьшается магнитная проницаемость.

С увеличением напряжений выше предела прочности возникают магистральные трещины, и материал разрушается по вязкому или хрупкому механизму.

4.2 Методы испытания металлов и сплавов

Для установления комплекса механических свойств металлов образцы из исследуемого материала подвергают статическим и динамическим испытаниям.

Статическими называются испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно.

К статическим испытаниям относят испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, а также определение твердости.

В результате испытаний на статическое растяжение, которое проводят на разрывных машинах, получают диаграмму растяжения (рис. 4.6 а) и диаграмму условных напряжений (рис. 4.6 б) пластичного металла.

Рис. 4.6. Изменение деформации в зависимости от напряжения: а - диаграмма растяжения пластичного материала; б - диаграмма условных напряжений пластичного материала

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 4.6), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и пластическую деформацию.

Представленная на рис. 4.6 зависимость между приложенным извне напряжением и вызванной им относительной деформацией характеризует механические свойства металлов:

- наклон прямой ОА (рис. 4.6а) показывает жесткость металла или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения; тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию (Е= / );

- напряжение _пц (рис. 4.6б), которое называется пределом пропорциональности, соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;

- напряжение _упр (рис. 4.1б), которое называется пределом упругости, и при котором пластическая деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями. Часто используют значения остаточной деформации 0,001; 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают _{0,005, 0,02} и т.д. Предел упругости - важная характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих элементов приборов и машин;

- напряжение _0,2, которое называется условным пределом текучести и которому соответствует пластическая деформация 0,2%. Физический предел текучести _т определяется по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растяжение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет Выбранная пластическая деформация 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение _0,2 несложно определяется при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения. Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают обычно меньше _0,2 в 1,5 раза;

...