Дефекты кристаллического строения металлов

     К черным относят железо и его сплавы с углеродом:

1. Сталь (до 1,5% С),

2. Чугун (2,5 – 4,5% С),

3. Ферросплавы (Ферросилиций (до 2,5% С, 9 – 13% Si, ост. Fe),

4. Mn, Cr.

К цветным относят все остальные металлы и сплавы.

Около 65% цветных металлов – Cu, Al, Ti, Ni, Sn, Zn. и множество сплавов на их основе.

Технически чистые металлы имеют низкие прочностные свойства, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы.

Строение металла

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

При этом переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при определенной температуре и сопровождается резким изменением свойств.

Установим отличие между газообразным, жидким и твердым состояниями.

В газах нет закономерного расположения атомов и молекул; они хаотически двигаются, отталкиваются одна от другой и газ стремится занять возможно больший объем.

В твердых телах атомы расположены закономерно, силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешены, и тело сохраняет свою форму.

В жидкости атомы сохраняют только ближний порядок, т.е. в пространстве закономерно расположено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема, как в твердом теле. Ближний порядок неустойчив: он то возникает, то исчезает под действием тепловых колебаний.

закономерное расположение частиц (атомов, молекул) в пространстве характеризует кристаллическое состояние.

Кристаллическое строение можно представить себе в виде пространственной решетки, в узлах которой расположены атомы (рис. 1).

рис. 1. Элементарная кристаллическая решетка

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле расположены упорядочено и образуют кристаллические решетки (рис. 1.1). Расстояния между атомами называют параметрами решеток и измеряют в нанометрах. С повышением температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают различную кристаллическую решетку, что приводит к изменению их физико-химических свойств.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

К основным свойствам металлов и сплавов относятся механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.

Механические свойства. Основные из них — прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость. При механических испытаниях к образцу прикладывают нагрузку. Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение — это нагрузка (сила), отнесенная к площади поперечного сечения, МПа:

где Р — нагрузка, МН; F — площадь поперечного сечения, м².

Напряжение, возникающее в металле, вызывает деформацию. Деформация — изменение формы и размеров тела под влиянием воздействия внешних сил или в результате физико-механических процессов, возникающих в самом теле (например, фазовых превращений, усадки и т. п.). Деформация может быть упругая (исчезающая после снятия нагрузки) и пластическая (остающаяся после снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая деформация переходит в пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит разрушение тела.

Прочность — это способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. Прочность определяют с помощью специальных механических испытаний образцов, изготовленных из исследуемого материала. Для определения прочности при статических нагрузках образцы испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытания на растяжение — обязательны. Прочность при статических нагрузках оценивается временным сопротивлением σ_в и пределом текучести σ_т; σ_в — это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца; σ_т — напряжение, при котором начинается пластическое течение металла.

Прочность при динамических нагрузках оценивают на Маятниковом копре по ударной вязкости КС, Дж/м² (рис. 1.5);

КС = А/F,

где А — работа, затраченная на разрушение образца, Дж; F — площадь образца в месте надреза, м².

Пластичность— это способность материала получать остаточное изменение формы и размеров без его разрушения. Пластичность характеризуется относительным удлинением δ при разрыве, %:

δ = (l - l₀) 100% / l₀,

где l — длина образца после разрыва, мм; l₀ — первоначальная длина образца, мм.

Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела (индентора), не получающего остаточных деформаций. Значение твердости и ее размерность для одного и того же материала зависят от применяемого метода измерения. Значения твердости, определенные различными методами, пересчитывают по таблицам и эмпирическим формулам. Например, твердость по Бринеллю (НВ, МПа) определяют из отношения нагрузки Р, приложенной к шарику, к площади поверхности полученного отпечатка шарика F_отп:

НВ = Р/ F_отп

     наиболее распространенными является измерение твердости нижеприведенными способами.

Твердость поБринеллю обозначается цифрами, характеризующими величину твердости и буквами НВ, например 185 НВ. Диаметр закаленного шарика (2,5; 5 и 10 мм) выбирают в зависимости от толщины изделия.

Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.

Между временным сопротивлением и числом твердости НВ существует следующая зависимость: для стали σв ⁼ 0,34 НВ, для медных сплавов σв ⁼ 0,45 НВ, для алюминиевых сплавов σв ⁼ 0,35 НВ.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для стали твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов — более 200 HВ.

     Твердость по Роквеллу

Сущность метода заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом с углом у вершины 120° (шкалы А и С) или со стальным шариком диаметром 1,5875 мм (шкала В) в испытуемый образец (изделие).

По шкале С определяют твердость материалов с высокой твердостью (>450 НВ), когда стальной шарик может деформироваться.

Шкала А используется для определения твердости тонких (0,5—1,0 мм) поверхностных слоев и очень твердых материалов.

По шкале В определяют твердость сравнительно мягких материалов (<400 НВ).                                            HRC = 2HRA – 104.

     Твердость по Виккерсу

Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую и низкую твердость. За счет большого угла между противолежащими гранями алмазной 4-х гранной пирамидой (α = 136⁰) метод является очень чувствительным.

     По величине изменения величины твердости можно оценить степень упрочнения материала          .

Физические свойства. К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, температурный коэффициент, электросопротивление и теплопроводность. Физические свойства сплавов обусловлены их составом и структурой.

Химические свойства. К химическим свойствам относятся способность материала к химическому взаимодействию с агрессивными средами.

Технологические свойства. Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам. К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью к ликвации. Ликвация – неоднородность хим. состава сплава, возникающая при кристаллизации. Л. обусловлена тем, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале t. Чем шире интервал кристаллизации, тем сильнее развивается Л.

Деформируемость — это способность материала принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке.

Свариваемость — это способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.

Эксплуатационные свойства. Определяют условия работы машины или конструкции определяют коррозионную стойкость; хладостойкость; жаропрочность, жаростойкость; антифрикционность материала.

Коррозионная стойкость — сопротивление сплава действию агрессивных кислотных и щелочных сред.

Хладостойкость — способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже 0 °С.

Жаропрочность — способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах.

Жаростойкость — способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Антифрикционность — способность сплава прирабатываться к другому сплаву.

Эти свойства определяются в зависимости от условий работы машины или конструкции специальными испытаниями.

Неметаллические материалы

По назначению неметаллические материалы, применяемые в машиностроении, подразделяют на: конструкционные и специальные.

Конструкционные - это материалы, из которых изготавливают отдельные элементы и узлы приборов, машин, несущих и передаточных устройств. Эта группа объединяет материалы в твердом состоянии и отличающиеся явно выраженными упруго-эластическими свойствами (большинство пластмасс, древесина, резина и керамика).

Специальные материалы имеют прикладное значение относительно конструкционных и представляют собой различные жидкие, твердые и газообразные неметаллические материалы (клеи, герметики, лаки, эмали, краски). Применяются они в машиностроении, в качестве хладагентов, теплоносителей, элементов топлив, масел, смазок, мягчителей, пластификаторов и т.д.

основное отличие большинства неметаллических материалов от металлов являются их тепло- и электроизоляционные свойства. Исключение составляют электропроводящие композиты.

Другим важнейшим отличием основной массы неметаллических материалов от металлов и сплавов является существенно меньшая их плотность: для органических материалов (пластмасс и резин) - вдвое ниже плотности алюминиевых сплавов, а для неорганических (стекла, фарфора, асбеста) - почти вдвое ниже плотности титановых сплавов.

При замене черных металлов литьевыми пластмассами трудоемкость процесса снижается в 5...6 раз, а себестоимость - в 2...6 раз.

     Однако существуют и существенные недостатки, значительно уменьшающие область применения пластмасс: низкая теплостойкость и теплопроводность, низкая поверхностная твердость, ползучесть, старение.

Кристаллизация металлов

При переходе аморфного тела из жидкого состояния в твердое никаких качественных изменений в строении не происходит, (рис. 46, а). В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично, как и в жидком, но только более компактно и вследствие этого имеют более ограниченную свободу перемещения.

При нагреве всех кристаллических тел, в том числе и металлов, всегда наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое, и из жидкого в твердое (рис. 46, б).

На участке кривой 1—2 (см. рис. 46, б) внешний подвод тепла повышает температуру металла, сохраняющего свою кристаллическую решетку, атомы в которой увеличивают амплитуду колебания за счет поглощения тепловой энергии. На участке 2—3 подвод тепла продолжается, но он не приводит к повышению температуры, т.е. подводимая энергия целиком расходуется на разрушение кристаллической решетки (переход твердого состояния в жидкое). В точке 3 разрушаются последние участки кристаллической решетки, и продолжающийся подвод тепла вызывает повышение температуры жидкого металла (3—4).

При охлаждении на участке 5—6 происходит кристаллизация, сопровождающаяся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Кристаллизация металла происходит не при температуре плавления, а при некотором переохлаждении Δt, значение которого зависит от природы самого металла, от степени его загрязненности различными включениями и от скорости охлаждения.

При температуре Т_пл свободные энергии обоих состояний равны. Такую температуру называют равновесной или теоретической температурой кристаллизации. ни плавление, ни кристаллизация не происходят при этой температуре. Например, для начала кристаллизации необходимо переохлаждение до T₁ (рис. 47).

Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения  ΔТ = Т_пл - T₁

Законы кристаллизации

Механизм кристаллизации металла состоит в том, что при соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации или зародышами.

Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы (рис. 48).

По мере роста кристаллов в металле, оставшемся еще в жидком состоянии, продолжают возникать новые центры кристаллизации. Каждый из растущих новых кристаллов ориентирован в пространстве произвольно. поверхности растущих кристаллов соприкасаются, их правильная внешняя форма нарушается, получается произвольной.

Кристаллы с неправильной внешней формой называются зернами или кристаллитами. Твердые тела, в том числе и металлы, состоящие из большого количества зерен, называют поликристаллическими (рис. 6).

Как установлено Д.К. Черновым, процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. позже Тамман, изучая процесс кристаллизации, установил зависимость числа центров кристаллизации (ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.р.) от степени переохлаждения ΔТ (рис. 49).

Как видно из рис. 49, каждый из этих параметров изменяется по закону кривых распределения, т.е. ч.ц. и с.р., возрастая с увеличением степени переохлаждения, имеют максимум.

Размер образовавшихся кристаллов зависит от соотношения с.р. и ч.ц. при температуре кристаллизации, т.е. от степени переохлаждения.

При равновесной температуре Т_пл ч.ц. и с.р. равны нулю, процесса кристаллизации не происходит. Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей точке а, то образуются крупные зерна (рис. 49). При переохлаждении, соответствующем точке b, образуется мелкое зерно, так как в этом случае скорость роста кристаллов незначительная, а центров кристаллизации много. Если очень сильно переохладить жидкость (точка с на рис. 49), то ч.ц. и с.р. становятся равными нулю, жидкость не кристаллизуется. Образуется аморфное тело.

Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящиеветви кривых ч.ц. и с.р.

Размер зерен, образующихся в процессе кристаллизации, зависит не только от числа самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но и от числа частичек нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле, которые играют роль готовых центров кристаллизации.

Иногда в жидкий металл специально добавляют небольшое количество веществ, чтобы получить нужное строение металла в отливках. Их называют модификаторами, а сам процесс модифицированием, Оказывая существенное влияние на процесс кристаллизации жидкого сплава, модификаторы влияют на свойства отливок.

По механизму воздействия на процесс кристаллизации модификаторы разделяют на две группы:

1) модификаторы, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации;

2) модификаторы - поверхностно-активные вещества. растворяясь в жидком металле они осаждаются на поверхности растущих кристаллов, образуя тонкий слой, препятствующий дальнейшему росту этих кристаллов. В результате металл получается мелкозернистым.

реальные кристаллы

Реально протекающий процесс кристаллизации усложняется действием различных факторов, в столь сильной степени влияющих на процесс, что роль степени переохлаждения, в количественном отношении, может стать второстепенной.

первостепенное значение приобретают скорость и направление отвода тепла, наличие нерастворившихся частиц и т.д.

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

Если на боковой поверхности растущего кристалла возникает бугорок, то кристалл приобретает способность расти и в боковом направлении. В результате образуется древовидный кристалл, так называемый дендрит, схематическая структура которого, впервые изображенная Д.К. Черновым, показана на рис. 31.

Структура литого слитка состоит из трех основных зон (рис. 33). Первая зона - наружная мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов - дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждений, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.

Вторая зона слитка - зона столбчатых кристаллов 2. 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, что ведет к уменьшению степени 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 3. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла «Температура застывающего металла успевает уравняться в различных точках с образованием зачатков кристаллов. При этом жидкость обращается в кашеобразное состояние. В результате образуется равноосная структура. Зародышами кристалла здесь являются различные мельчайшие включения, случайно в нее попавшие, или не растворившиеся в жидком металле (например тугоплавкие составляющие).

Жидкий металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами, которые могут быть сконцентрированы в одном месте, или рассеяны по всему объему слитка. Они могут быть заполнены газами, растворимыми в жидком металле, но выделяющимися при кристаллизации. В хорошо раскисленной спокойной стали, отлитой в изложницу с утепленной надставкой, усадочная раковина образуется в верхней части слитка, и в объеме всего слитка содержится малое количество газовых пузырей и раковин. Недостаточно раскисленная кипящая сталь, содержит раковины и пузыри по всему объему.

Дефекты кристаллического строения металлов

Изучение строения металлов с помощью рентгеноструктурного анализа и электронного микроскопа позволило установить, что внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки - это нарушения укладки атомов в решетке.

Различают следующие структурные несовершенства:

1. дефект решетки, малый в трех измерениях (b = 3х10^-8 см) – точечный. К данному типу относят вакансию в решетке и внедренный атом в междоузлье.

2. малый в двух измерениях и протяженный в третьем - линейный. К данному типу несовершенства относят дислокации.

Представим себе, что в кристаллической решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстра-плоскость В (рис. 11). Край такой плоскости образует линейный дефект А—А, 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. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки.

Под воздействием напряжения краевая дислокация А-Абудет передвигаться по плоскости С, пока не достигнет границы зерна (или блока).

Характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокации - суммарная длина всех линий дислокации в единице объема.

3. малый лишь в одном измерении - плоский (двумерный, поверхностный). К нему относят границы зерен и блоков, а также дефекты упаковки.

В поликристаллических материалах размер зерен бывает от 1 до 1000 мкм, чаще всего - около 100 мкм. Зерна разориентированы, повернуты одни относительно других до десятков градусов (рис. 43). Границы зерен являются основным дефектом в металлах. На этих границах атомы не имеют правильного расположения. Здесь существует переходная область шириной в несколько атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна.

Рис. 43. Схема поликристаллического строения металла

Мы поможем в написании ваших работ!