КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Стр 1 из 2Следующая ⇒

ВВЕДЕНИЕ Материаловедение – наука, изучающая связь между составом, структурой и свойствами материалов и изучающая их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом, электромагнитном и радиоактивном). Задача материаловедения – установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы целенаправленно воздействовать на них при переработке в изделия и эксплуатации, а также для создания материалов с заданным сочетанием свойств и прогнозирования срока службы материалов. Различают две основные группы материалов:

Металлы и их сплавы

Металлы и сплавы разделяют на черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе: сталь и чугун.

Содержание железа в земной коре составляет 4,6 %, а алюминия – 8,8 %.

К цветным относятся все остальные металлы: Al, Cu, Ti, Mg, Pb, Sn, Ni...

• легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см³;

• тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см³;

• легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232; 327; 410 °С соответственно;

• тугоплавкие металлы W, Мо, Та, Nb с температурой плавления выше, чем у железа (> 1536 °С);

• благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;

• урановые металлы или актиноиды, используемые в атомной технике;

• редкоземельные металлы (РЗМ) – лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;

• щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в свободном состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий – для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.

2) неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стекло, клей, лакокрасочные покрытия, древесина, ткань и др.) в качестве конструкционных материалов служат важным дополнением к металлам, в ряже случаев с успехом заменяют их.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

Основными способами изготовления металлических заготовок и деталей являются литье, обработкам давлением и обработка резанием. Изделия сложной формы могут быть получены также сваркой, пайкой или клепкой деталей, полученных предварительно литьем или обработкой давлением. Все большее количество заготовок и деталей машин производят с использованием методов порошковой металлургии.

К основным свойствам металлов в машиностроении относятся:

1) физические определяют поведение материала в гравитационных (плотность–удельный вес), тепловых (температура плавления, теплоемкость, термическое расширение, теплопроводность), электромагнитных (магнитные характеристики, теплопроводность, электропроводность) и радиационных полях.

2) под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Характерным примером химического взаимодействия среды и металла является коррозия

3) механические характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии механических нагрузок.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла деформации (прочность) и сопротивление разрушению (это – пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин). В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т.е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического или механического состояния материала.

4) технологические характеризуют податливость материалов технологическим воздействиям при переработке в изделия.

К технологическим свойствам относятся: литейные, обрабатываемость давлением, резанием, свариваемость.

Чтобы определить возможность использования сплавов в литейном производстве, выявляются их литейные свойства – жидкотекучесть, объемную и линейную усадку, трещиноустойчивость, газонасыщение, ликвацию.

Жидкотекучесть – способность сплавов течь и заполнять литейную форму.

Усадка – уменьшение объема и линейных размеров отливки при ее формировании.

Трещиноустойчивость – способность сплава противостоять образованию трещин в отливках.

Газонасыщение литейных сплавов возможно за счет попадания газов из шихтовых материалов и атмосферы, а также возникающих в процессе взаимодействия расплава с литейной формой.

Обрабатываемость давлением – это способность материала принимать без разрушения требуемую форму и размеры путем пластической деформации.

Основными параметрами, характеризующими обрабатываемость материала, являются сопротивление материала резанию, стойкость инструмента и качество обрабатываемой поверхности.

Свариваемостью называют свойство различных материалов образовывать надежные и экономичные сварные соединения.

5)эксплуатационные характеризуют способность материалов работать без разрушения в определенных условиях эксплуатации, т.е. их работоспособность.

К эксплуатационным свойствам материалов относят конструкционную (конструктивную) прочность, которая включает в себя прочность, надежность, долговечность (определяет ресурс работы изделия).

ü Прочность – сопротивление материала деформации.

Критерии прочности металлов:

- – предел прочности (предел временного сопротивления разрушению);

- (s_0,2) – предел текучести;

- НВ – твердость;

- s_R – предел выносливости.

ü Надежность – свойство материала противостоять внезапному хрупкому разрушению.

Критерии надежности металлов:

- Порог хладноломкости (Т_кр)– температура, ниже которой металл склонен к хрупкому разрушению;

- Ударная вязкость (KCV, KCU, KCT) выявляет склонность металлов к хрупкому разрушению, может быть представлена суммой работ на деформацию и распространению трещины в металле (сопротивление распространению трещины);

- К_IС – характеризует сопротивление хрупкому разрушению

- Пластичность характеризует способность металла деформироваться, не разрушаясь (отностельное удлинение d, относительное сужение y).

ü Долговечность – свойство материала сохранять работоспособность в течение заданного времени (ресурса изделия).

Критерии долговечности металлов:

1. Усталостная прочность;

2. Износ – механический, коррозионно-механический, эрозионный, кавитационный, усталостный (контактная усталость).

Пути повышения конструктивной прочности:

ü технологические (ТО – термическая обработка; ХТО – химико-термическая обработка; ППД – поверхностное пластическое деформирование);

ü металлургические (применение новых материалов, повышение металлургического качества сталей);

ü конструктивные (уменьшить количество концентраторов напряжений, изменив конструкцию).

6) эстетические характеризуют способность изделия через чувственно воспринимаемые образы удовлетворять потребности человека и общества в эстетическом идеале.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Газ Жидкость Твердое тело

В газах отсутствует закономерность в расположении частиц. Твердые кристаллические тела имеют правильное строение, при котором атомы и ионы находятся в узлах кристаллических решеток (ближний порядок), а отдельные ячейки и блоки определенным образом ориентированы по отношению друг к другу (дальний порядок). В жидком металле атомы не расположены хаотично, как в газообразном состоянии, и в то же время в их расположении нет той правильности, которая характерна для твердого кристаллического тела. В жидкостях определенная ориентировка распространяется лишь на небольшое число атомов, образующих так называемые флуктуации. Таким образом, для жидкостей характерен только ближний порядок расположения атомов.

Переход металла из жидкого состояния в твердое при определенной температуре называется кристаллизацией.

Вследствие интенсивного теплового движения атомов ближний порядок динамически неустойчив. При охлаждении жидкости подвижность атомов падает, и вблизи температуры плавления образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы, как в кристаллах. Эти группировки являются центрами кристаллизации или зародышами. Такие микрообъемы с правильным расположением атомов, возникнув, могут существовать некоторое время, затем рассасываться и возникать вновь в другом элементарном объеме жидкости. С понижением температуры степень ближнего порядка и размер таких микрообъемов возрастают. Итак, при температурах, близких к температуре плавления, в жидком металле возможно образование небольших группировок (их называют фазовыми флуктуациями), в которых атомы упакованы так же, как и в кристаллах.

Далее происходит рост зародышей в результате перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам. Кристалл растет послойно, при этом каждый слой имеет одноатомную толщину.

Механизм кристаллизации

При охлаждении происходит переход стали из жидкого состояния в твердое. Образуется большое число центров кристаллизации, зарождение кристаллов (первая стадия) и дальнейший их рост (вторая стадия).

С увеличением степени переохлаждения возрастает число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени. Вокруг образовавшихся центров кристаллизации начинают расти кристаллы. Одновременно в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации.

До тех пор, пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет правильную геометрическую форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается, и образуются так называемые кристаллиты – зерна. Рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости. Взаимным ростом кристаллов и объясняется неправильная форма зерен.

Зерно – это кристалл неправильной формы, выросший из одного зародыша. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую ориентировку решеток. Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

СТРОЕНИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Влияние типа связи на свойства кристалла

Типы твердых тел отличаются между собой по характеру сил взаимодействий, типу связи и тому, какие частицы расположены в узлах кристаллической решетки.

1. Кристаллы, в узлах которых правильно чередуются положительные и отрицательные ионы, имеют ионную связь. Вещества с ионной связью очень прочные, твердые, хрупкие. Обычно это вещества типа NaCl, KF,…

2. Ковалентная связь наблюдается у веществ типа Cl₂.

3. Для металлической связи характерно наличие большого количества электронов, которые движутся среди ионов, образуя «электронный газ».

Аморфное и кристаллическое состояние

Твердые тела в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации делят на аморфные и кристаллические.

Аморфный металл получается при скоростях охлаждения 10⁶…10⁷ °С/с и более. Атомы при этом не располагаются в правильном порядке, не образуют кристаллов. Аморфное твердое тело является изотропным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная стойкость и др. свойства. Если такое тело нагреть до определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то аморфное состояние его перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру: аморфная основа и образовавшиеся в ней кристаллы.

В кристаллических твердых телах (при меньших скоростях охлаждения) атомы расположены в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы и создавая кристаллическую решетку или воображаемую пространственную сетку.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением не ряда периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой.

Объемноцентрированный куб (ОЦК)		Гранецентрированный куб (ГЦК)		Гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

а, с – параметры (периоды) решетки
а=с
К = 68 %	К = 74 %		К = 74 %
Na, K, V, Nb, Cr, Mo, W	Cu, Ag, Au, Pt, Al, Pb, Ni		Be, Mg, Zn, Cd

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то не трудно видеть, что в решетке помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т.е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности К. Расчеты компактности показали, что решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки.

a – полиморфная модификация, устойчивая при более низких температурах;

g – полиморфная модификация, устойчивая при более высоких температурах.

Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 765; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!