Размещено на http://www.allbest.ru/

УЧЕБНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Введение

Материаловедение является прикладной наукой о строении и свойствах технических материалов, основной задачей, которой является установление связи между их составом, структурой и свойствами, а также их изменение при различных внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.д.) В настоящее время в качестве современных технических материалов используются практически все элементы периодической системы Менделеева. кристаллический строение металл

Современное машиностроение является основным потребителем производимых металлов (металлы и сплавы составляют 85 - 95% от массы машин). В станкостроении, судостроении, автомобильной промышленности из металлов изготовляют огромное число деталей машин и приборов.

Используемые в технике металлы принято подразделять на две основные группы - черные и цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы). Остальные металлы и их сплавы составляют группу цветных.

В основу классификации черных металлов положен их химический состав. В общем случае черные металлы - это сложные системы, которые помимо железа и углерода содержат разнообразные примеси (серу, азот, фосфор, кремний и др.), вносимые в металл из исходного сырья в процессе производства, а также металлы, целенаправленно добавляемые с целью придания сплаву определенных свойств.

По содержанию углерода черные металлы делят на две основные группы: стали (менее 2,14% углерода) и чугуны (более 2,14% углерода). Это количественное различие связано с особенностями модификаций железа и структурой металла. Наряду с черными металлами важное значение имеют в технике цветные металлы. Это объясняется рядом важных физико-химических свойств, которыми не обладают черные металлы. Наиболее широкое применение нашли в самолетостроении, радиотехнике, электронике и других отраслях промышленности такие материалы как медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам, германий и другие.

Особое развитие за последние 50 лет получило производство синтетических материалов - пластмасс, которые наряду с другими неметаллическими материалами используют в конструкциях машин и механизмов взамен металлов и сплавов.

В последнее время особое распространение получили композиционные материалы. Это материалы, состоящие из двух компонентов и более, объединенных различными способами в монолит и сохраняющими при этом индивидуальные особенности.

Глава 1. Строение и основные свойства металлов

1.1 Кристаллическое строение твердых тел

Для описания атомно-кристаллической структуры материалов пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки. Она представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой расположены атомы (ионы) образующие кристалл. Т.е. атомы располагаются в определенном порядке, который периодически повторяется в 3-х измерениях и составляют пространственную решетку. Следует отметить, что атомы (частицы) твердого тела стремятся к такому расположению в пространстве, чтобы энергия их взаимодействия была минимальна.

В кристаллической решетке можно выделить элемент объема (рис.1.1.), состоящий из минимального количества частиц, многократным переносом (трансляцией) которого можно построить весь кристалл. Этот элементарный объем называется элементарной ячейкой. Имеется относительно небольшое количество типов кристаллических решеток.

Рис.1.1. Элементарная ячейка кристаллической решетки

Наиболее часто встречающиеся: объемноцентрированная - Fe- б, Cr, W (на одну ячейку приходится 9 атомов); гранецентрированная - Fe- г, Al, Cu (14 атомов на ячейку); гексагональная - Mg, Zn (17 атомов на ячейку) (Рис.1.2.). Существуют также ромбоэдрическая, тетрагональная и т.д.

Соответствующая структура кристаллических решеток объясняется типом связей между частицами, т.е. природой сил удерживающих частицы в узлах кристаллической решетки. Связь между атомами осуществляется электростатическими силами, т.е. по природе связь едина - имеет электрическую природу, но в разных кристаллах может осуществляться различный тип связи: ионная, ковалентная, полярная, металлическая.

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных кристаллографических направлениях (число атомов, приходящееся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково) у кристаллов возникает свойство анизотропии, т.е. многие свойства (физические, механические) будут различными в разных направлениях. Анизотропными являются практически все кристаллы, изотропными можно считать стекло, пластмассу. Кристаллическая решетка характеризуется следующими величинами:

Период решетки - расстояние между центрами соседних частиц. Для кубической решетки - а;для гексагональной а и с (Рис.1.2.)

Рис.1.2. Элементарные кристаллические ячейки:

а - кубическая объемноцентрированная;

б - кубическая гранецентрированная;

в - гексагональная плотноупакованная

Координационное число - показывает количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке.

Атомный радиус - расстояние между центрами ближайших атомов (он может меняться в зависимости от различных факторов).

Следует отметить еще одну важную особенность кристаллической структуры некоторых материалов. Для некоторых элементов периодической системы характерно наличие двух или трех типов кристаллических решеток.

Это объясняется тем, что у этих элементов происходит перекристаллизация в твердом состоянии, которая называется вторичной кристаллизацией. Наличие разного кристаллического строения вещества при различных температурах называется полиформизмом или аллотропией. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением тепла, а также изменением свойств металла, изменением его объема и растворимости (например углерода в железе). Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждой модификации свойственно оставаться устойчивой лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур. Кристаллические модификации обозначаются малыми буквами греческого алфавита , , , которые в виде индекса добавляются к символу обозначающему элемент Fe-, Fe-, Ti-, Ti-. Буква обозначает модификацию существующую при самой низкой температуре.

Явление полиформизма в металлах имеет большое практическое значение. Благодаря полиформизму железа, например, имеется возможность широкого изменения свойства сплавов на основе железа (сталей) посредством термической обработки (закалки, отжига).

1.2. Кристаллизация

Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Для каждого металла имеется своя температура, при которой жидкость находится в термодинамическом равновесии с твердым веществом. Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения кристаллитов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже температуры плавления Т_пл на многих участках жидкого металла под воздействием различных факторов образуются способные к росту зародыши. (Рис.1.3.). Образовавшиеся в расплаве вначале центры кристаллизации (Рис.1.3. а) растут сначала свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму. Затем возникают элементарные ячейки (Рис.1.3. б), вслед за этим начинается процесс разрастания элементарных ячеек (Рис.1.3. в), причем при соприкосновении растущих кристаллитов их правильная форма нарушается, так как на этих участках рост граней прекращается.

а. б. в г.

Рис.1.3. Последовательные этапы процесса кристаллизации металла

Рост кристаллов продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. И, наконец, при затвердевании образуются кристаллиты (Рис.1.3. г), т.е. определенная структура металла. После затвердевания кристаллиты будут иметь неправильную форму. Материал, состоящий из множества кристаллитов (зерен) называется поликристаллическим. Каждый кристаллит может иметь правильную структуру, а друг по отношению к другу они могут быть расположены различным способом. Здесь играют роль и дефекты, и примеси, и др.

При определенных условиях можно получить материал с единой кристаллической решеткой - монокристалл.

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем меньше зерна металла. Чтобы получить мелкое зерно, создают искусственные центры кристаллизации, Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Модификаторами могут быть тугоплавкие соединения (карбиды, оксиды, иногда, например, при производстве стали добавляют титан, марганец, ванадий) В качестве модификаторов могут использоваться и поверхностно-активные вещества. Они растворяются в жидком металле и оседают на поверхности растущих кристаллов, образуя тонкий слой, что препятствует дальнейшему росту кристаллитов. Таким образом, форма растущих кристаллитов определяется составом сплава, наличием примесей, режимом охлаждения, а также условиями их касания друг с другом.

В металлах обычно механизм образования кристаллов носит дендритный характер (древовидный) характер (Рис.1.4.).

Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с различной скоростью.

Рис.1.4. Схема дендритного роста металла. 1,2,3, - направления роста (оси первого, второго и третьего порядка)

После образования зародышей их развитие идет в тех плоскостях и направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки и минимальное расстояние между ними (оси первого, второго и третьего порядка).

В этом направлении образуются длинные ветви кристалла. Затем от них начинается рост в других направлениях.

1.3 Дефекты кристаллической решетки

В реальных кристаллах, из которых состоят материалы, да и в монокристаллах встречается большое количество дефектов, которые оказывают влияние на свойства материалов и их обработку.

Различают следующие дефекты кристаллической решетки: точечные, линейные, поверхностные.

1.3.1 Точечные дефекты

Атомы совершают колебательные движения относительно узлов кристаллической решетки и имеют среднюю энергию, определяемую температурой, причем, чем больше температура, тем больше амплитуда колебаний. Но всегда имеются атомы, энергия которых значительно больше (или меньше) среднего значения энергии. Если их энергия больше среднего значения, то атомы могут не только удалиться от своего положения равновесия, но и, преодолев потенциальный барьер, перейти в междоузлье, образовав внедренный атом, или выйти на поверхность материала. Место, где находился атом, называется вакансией, или дыркой (Рис.1.5.а). На это место перемещается другой атом и т. д., т.е. дырка как бы перемещается внутри кристалла. С ростом температуры дырок становится больше и при температурах близких к температуре плавления их становится порядка 1% к числу атомов.

Образование внедренных атомов и вакансий искажает кристаллическую решетку на 5 - 6 периодов. Но образование вакансий не всегда связано с выходом атома в междоузлье, поэтому число дыр и внедренных атомов не равно Например, в меди при температуре 20⁰ С вакансий в 10⁵⁰ больше, чем внедренных атомов.

Рис. 1.5. Дефекты в кристаллах: а - вакансия; б - внедренный атом; с - краевая линейная дислокация; г - неправильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2.

Образование дырок происходит за счет испарения атомов с поверхности, а также их источниками могут быть трещины, границы зерен, дислокации. Скопление вакансий образует в кристаллах поры и каналы, которые можно уже отнести к объемным дефектам.

Точечные несовершенства появляются и в результате внедрения инородных атомов примесей (Рис.1.5.б), которые, как правило, присутствуют даже в самых чистых металлах. Понятие чистый металл является условным, при его использовании для практических целей всегда оговаривается степень его чистоты. Она обозначается числом «9», например чистота полупроводникового германия 99,99999% - означает, что примеси в данном материале содержаться в количестве 0,00001%. Примеси могут сильно влиять на ряд свойств металлов.

1.3.2 Линейные дефекты кристаллической решетки

Наиболее распространенным и очень важным особенно с точки зрения прочностных свойств металлов являются дефекты, имеющие протяженность только в одном направлении или так называемые линейные дефекты - дислокации. Наиболее распространенной является краевая дислокация. Обозначаются дислокации .

Образуются дислокации в результате локальных или местных смещений кристаллографических плоскостей происходящих в решетке. В результате чего, появляется, как бы лишняя полуплоскость, Рис.1.5.в), длина которой, может достигать нескольких тысяч межатомных расстояний, а ширина мала - несколько атомных расстояний. Край экстра-плоскости, перпендикулярный направлению сдвига, называется краевой или линейной дислокацией. Кроме линейной различают и винтовую дислокацию. В этом случае атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхности (Рис.1.6.).

Рис.1.6. Схема образования винтовой дислокации (а) и расположение атомов в кристалле с винтовой дислокацией (б).

Плотность дислокаций составляет в недеформированном металле величину порядка 10¹² - 10¹³ см^-2 при наличии примесей порядка 0,05%. Дислокации образуются в процессе кристаллизации, деформации, термической обработки и других процессах.

Для дислокаций характерна их легкая подвижность. Это объясняется тем, что атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Под действием механических нагрузок, приложенных к кристаллу, происходит не только движение дислокаций, но и появление новых. При сближении двух дислокаций может происходить увеличение упругих напряжений вблизи дислокаций, но может иметь место и процесс аннигиляции (уничтожения) дислокаций. Для каждого кристаллического материала существует критическая плотность дислокаций, превышение которой приводит к замедлению их движения.

1.3.3 Поверхностные дефекты

Двумерные или плоские несовершенства, (которые малы только в одном измерении) представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами, блоками поликристаллического металла (Рис. 1.5.г). Зерна, или кристаллиты металла, разориентированы относительно друг друга на несколько градусов (или на несколько десятков градусов) и повернуты в разных направлениях. Это фактически переходная область порядка 5 - 10 атомных размеров, где решетка одного кристаллита переходит в решетку другого, имеющего другое кристаллографическое направление. Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, скапливаются дислокации и вакансии.

Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации дефектов.

Кроме перечисленных дефектов в металлах имеются различные пустоты (поры), неметаллические включения, микро и субмикротрещины, остаточные напряжения.

Выявляемая в процессе эксплуатации, или во время специальных испытаний, прочность металлов, называемая фактической или технической, ниже теоретической на 2 - 3 порядка. Теоретической прочностью обладает совершенно бездефектный металл, имеющий идеально построенную, однородную во всех ее частях кристаллическую решетку.

Техническая прочность в сотни раз меньше вычисляемой по формулам величины. Это объясняется наличием в реальном металле концентраторов напряжений, металлургических дефектов и дефектов кристаллической решетки, важнейшими из которых являются дислокации.

1.4 Методы изучения структуры металлов

Структуру металлов изучают различными способами: макроанализ (изучение излома), микроанализ, рентгеноструктурный анализ, дефектоскопия, электронная микроскопия.

Макроанализ - изучение структуры невооруженным глазом или при небольшом увеличении (лупа). При этом можно обнаружить усадочные раковины, рыхлости, пустоты, трещины, неметаллические включения. Крупнозернистый излом свидетельствует о перегреве металла, слоистый о загрязнении неметаллическими примесями, структура и вид блестящего излома говорит о степени вязкости стали, например. Исследования проводятся на макрошлифах - их отрезают от заготовки, шлифуют и травят.

Микроанализ - проводится с помощью металлографического микроскопа.(Оптический) Увеличение примерно 3000 раз. При этом можно изучить загрязненность сплава, степень однородности, качество термической обработки, характер неметаллических включений структуру, виды дефектов. Для микроанализа готовят специальные шлифы с зеркальной поверхностью.

Электронные микроскопы позволяют изучать структуру металлов с помощью пучка электронов, падающих на слепок со шлифа и изображающих его на пластинке. Увеличение до десятков тысяч раз. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, неметаллические включения и их характер - трещины, пористость т.д., качество термической обработки. Зная микроструктуру можно объяснить причины изменения свойств металла.

Рентгеноструктурный анализ - специальные установки с рентгеновскими трубками, дающими очень коротковолновое излучение и поэтому можно изучать не только поверхность, но и внутреннее строение - тип кристаллической решетки, параметры, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ основан на дифракции рентгеновских лучей рядами атомов кристаллической решетки и это позволяет обнаружить дефекты (пористость, трещины, газовые пузыри, шлаковые включения) не разрушая металла. В местах дефектов рентгеновские лучи поглощаются меньше, чем в сплошном металле, и поэтому на фотопленке такие лучи образуют темные пятна, соответствующие форме дефекта.

Дефектоскопия - позволяет выявить внутренние пороки изделий без разрушения (трещины, пустоты, неметаллические включения, сварочные швы). Дефектоскопия может быть магнитная, ультразвуковая, г-дефекто-скопия. При магнитной дефектоскопии деталь намагничивается, затем покрывается магнитным порошком и, где имеет место дефект, происходит искривление магнитных силовых линий. Гамма-дефектоскопия основана на использовании г-лучей, частота которых больше рентгеновских и это позволяет изучить дефекты металла или изделия на еще большей глубине. Ультразвуковая дефектоскопия позволяет просвечивать детали до 1 метра. Частота ультразвуковых колебаний от 2 до 10⁶ герц.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность кристаллического строения металлов?

2. Назовите типы кристаллических решеток.

3. Какие параметры характеризуют кристаллическую решетку?

4. Как происходит процесс кристаллизации металлов?

5. Что такое анизотропия в кристаллах?

6. Что такое аллотропия металлов?

7. Какие существуют дефекты кристаллического строения?

Размещено на Allbest.ru