ЧАСТЬ 2. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Кристаллическое строение металлов и сплавов

Металлы и их сплавы относятся к поликристаллическим телам, которые характеризуются закономерным периодическим расположением атомов или ионов в пространстве. Если соединить атомы воображаемыми линиями в трёх взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решётка. Её наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет собой составленное из атомов геометрическое тело, например, куб или шестигранную призму.


	А		б		в

Рис. 2.1. Типы кубических решёток: простая (а), объёмноцентрированная (б), гранецентрированная (в) и примеры металлов, имеющих такие решётки

Кубическая решётка может быть простой, т.е. такой, в вершинах которой находятся атомы (ионы); объёмноцентрированной (ОЦК), у которой один атом расположен в центре куба; гранецентрированной, у которой атомы расположены в центрах граней (ГЦК) (рис. 2.1.). Кристаллические решётки характеризуются параметром (межатомное расстояние, измеряемое между двумя соседними плоскостями), координационным числом (количеством атомов - соседей, находящихся на ближайшем расстоянии от данного атома) и плотностью упаковки.

а б

Рис. 2.2. Типичные плотноупакованные структуры в металлах:

А – гексагональная (ГП) и б – гранецентрированная (ГЦК)

Плотноупакованной называется кристаллическая решётка, в которой при данном параметре достигается максимальная концентрация узлов в единице объёма. Плотноупакованной является гранецентрированная решётка, а также гексагональная плотноупакованная решётка (ГПУ) (рис. 2.2). Типы кристаллических решёток определяются при помощи рентгеноструктурного анализа.

Существуют кристаллы, которые могут иметь различные кристаллические решётки в зависимости от температуры (две или несколько). Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией. Наибольшее значение полиморфизм имеет в переходных металлах, применяемых в технике. К ним относятся: железо, кобальт, скандий, титан (по две модификации), марганец (четыре модификации). Модификации металлов обозначаются малыми греческими буквами; при этом низкотемпературная модификация обычно обозначается α. Например, для железа – α и γ; для титана – α и β (табл. 2.1).

Таблица 2.1.

Кристаллические структуры переходных металлов 4-го периода*

Группы элементов
III	IV	V	VI	VII	VIII
Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni
ОЦК ГП	ОЦК ГП	ОЦК	ОЦК	ОЦК ГЦК Сложная куб. Сложная ОЦК	OЦК ГЦК ОЦК	ГЦК ГП	ГЦК

* ОЦК-объемноцентрированная, ГЦК - гранецентрированная, ГП- плотноупакованная гексагональная

Объёмноцентрированные кристаллические решётки имеют: α - железо, β - титан, ванадий, хром, молибден, вольфрам; гранецентрированные решётки имеют: γ - железо, никель, алюминий, медь; гексагональные плотноупакованные имеют: магний, α - титан, цинк. Кристаллические решётки представляют собой идеальную, совершенную структуру кристалла.

Для всех кристаллов характерна а низотропия свойств, причиной которой являетсяразличие в расположении атомов в различных кристаллографических направлениях.

Анизотропия свойств – различие свойств кристаллов в разных кристаллографических направлениях. Анизотропия проявляется при измерении как физических, так и механических и других характеристик. Однако существуют свойства и не зависящие от кристаллографического направления. Например, такие физические характеристики как плотность и теплоемкость. Большинство же характеристик – модуль упругости Е, электросопротивление ρ, коэффициент диффузии D и др., зависят от выбора кристаллографического направления, в котором они измеряются.

Измерить свойства возможно на объектах, которые имеют определенный материальный объем: размеры - от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Эти объекты, имеющие строение, идентичное кристаллической ячейке, носят название монокристаллы.

Сплавом называют вещество, полученное при сплавлении и последующем затвердевании смеси двух или нескольких металлов или металлов и неметаллов.

Химические элементы, составляющие сплав, называются компонентами. Компонент - это химически индивидуальное вещество.Суммарное содержание всех компонентов в сплаве составляет 100 %. Компонентыделятся на четыре группы:

1) металл основы (металл - растворитель), на базе которого формируется сплав, т.е. в который вводятся другие элементы; концентрация металла-растворителя составляет не менее 50 % .

2) легирующие компоненты – химические элементы, специально вводимые в сплав для получения определённых свойств.

3) микродобавки – химические элементы, вводимые в сплав в небольших количествах для улучшения свойств; их содержание составляет от 0,001 % до 0,05 %.

4) примеси – химические элементы, присутствующие в сплаве как «остаток» от металлургического производства. Например, в сталях примесями являются сера, фосфор, марганец, кремний, мышьяк и газы; а в алюминиевых сплавах – натрий и кальций. Содержание примесей составляет от 10^-4 до 10^-1 %.

Количественной характеристикой химического состава является концентрация легирующих компонентов, % масс. В зависимости от концентрации легирующих компонентов сплавы подразделяют на низко - средне - и высоколегированные (суммарное содержание легирующих элементов составляет ≤ 5 ≤ 10 и > 10 % соответственно).

Фаза – часть сплава, отделенная поверхностью раздела, отличающаяся непрерывностью химического состава, кристаллической структуры и свойств по всему объему и скачкообразным изменением всех указанных параметров при переходе через границу.

Таким образом, признаками любой фазы являются: кристаллическая решётка; химический состав; граница раздела, обособляющая фазу от других фаз сплава.

В твёрдом состоянии в сплавах различают два вида твёрдых фаз – твёрдые растворы и промежуточные фазы (ПФ). В сплавах могут также присутствовать специфические смеси фаз, особенность которых состоит в том, что они образуются (при охлаждении) одновременно при постоянной температуре. Эти фазовые смеси могут состоять из твёрдых растворов, промежуточных фаз и чистых металлов. Они носят название эвтектические и эвтектоидные смеси.

Рис. 2.3. Схема относительных размеров и расположения интерметаллических фаз (Ф) в сплавах: Ф_перв– фазы, образовавшиеся при кристаллизации; Ф_втор – фазы, образовавшиеся при горячей деформации; Ф_стар – фазы, образовавшиеся при старении; Ф_эвт – фазы, образовавшиеся при кристаллизации по эвтектической реакции

При микроструктурном анализе возможно выявить эти виды фаз. На рис. 2.3. показана схема микроструктуры сплавы с различными промежуточными фазами. Белое поле с границами (см. далее разделы «зёрна и границы зёрен») – это твёрдый раствор. Промежуточные фазы крупных размеров, образовавшиеся при кристаллизации, обозначены Ф_перв. Промежуточные фазы более мелких размеров, образовавшиеся при горячей обработке давлением обозначены Ф_втор, а дисперсные частицы ПФ, образовавшиеся при термообработке обозначены Ф_стар. Частицы этих фаз находятся внутри твёрдого раствора.

Пластинчатые образования в одном из зёрен представляют собой эвтектодную смесь из двух фаз, Ф_эвт.

Твёрдые растворы. В том случае, когда легирующий компонент растворяется в металле - основе, не меняя его кристаллическую решётку, образуется новая фаза твердый раствор.

Твердый раствор – фаза сплава, кристаллическая решетка которой не отличается от кристаллической решетки металла - основы; а концентрация легирующих компонентов изменяется в широких пределах.

Твёрдые растворы занимают основное пространство сплава, т.е. они являются матричными фазами. Твердые растворы классифицируют по нескольким признакам, одним из которых является положение атома легирующего элемента в кристаллической решётке: это – твёрдые растворы внедрения и замещения.

Атом легирующего элемента

а б в

Рис. 2.4. Схема различных типов твёрдых растворов: а – твёрдый раствор

внедрения;

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 226; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!