Внутренним строением металлов называется строение и взаимное расположение их атомов, а также более крупная структура, видимая в микроскоп или невооруженным глазом.

Металлы по внутреннему строению представляют собой совокупность нейтральных атомов, положительно или отрицательно заряженных ионов и свободных электронов, образующих так называемый «электронный газ». Наличие «электронного газа» обусловливает высокую электро- и теплопроводность металлов, а взаимосвязь свободных электронов между собой и с ионами создает прочную связь, называемую металлической. Специфика металлической связи делает металлы пластичными (ковкими).

Кроме природы атомов на свойства металлов влияют характер связи между атомами, расстояние между ними и порядок их расположения.

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, т.е. их атомы (ионы) расположены в строгом, периодически повторяющемся порядке, образуя в пространстве атомно-кристаллическую решетку (в противоположность аморфным твердым телам, атомы которых расположены в пространстве хаотично).

Порядок расположения атомов у различных металлов неодинаков. Обычно он определяется простыми характерными для большинства металлов (рис. 6) или сложными кристаллическими решетками. Линии на рис. 6 условные Атомы в действительности колеблются возле положений равновесия, т. е. в узлах кристаллической решетки. Расстояние между атомами в кристаллической решетке измеряется в ангстремах (1 Å=10 -9 нм). У большинства металлов расстояние между атомами находится в пределах 0,28-0,8 нм.

Рис 6. Порядок расположения атомов в простых решетках а - объемна я центрированной кубической (9 атомов), б - гранецентрированной кубической (14 атомов), в - гексагональной плотноупакованной (17 атомов)

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой.

Получаемые обычным способом металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из множества элементарных ячеек, ориентированных относительно друг друга самым различным образом. Ячейки имеют неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами. Если сочетание элементарных ячеек правильное, по расположению атомов повторяющее элементарную ячейку, то образовавшееся тело называется монокристаллом.

Металлические сплавы, как и металлы, имеют кристаллическое строение. При этом в зависимости от взаимодействия компонентов они подразделяются на твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

Твердые растворы образуются тогда, когда при сплавлении атомы одного элемента в разных количествах входят в кристаллическую решетку другого элемента, не изменяя в значительной мере ее формы. Элемент, сохранивший форму своей решетки, называется растворителем, а элемент, атомы которого вошли в эту решетку,- растворенным. По размещению атомов растворенного элемента в решетке растворителя различают твердые растворы замещения (атомы растворенного элемента располагаются в узлах решетки растворителя) и твердые растворы внедрения (атомы растворенного элемента находятся между атомами растворителя и узлами его решетки).

Если входящие в состав твердого раствора замещения компоненты имеют близкое строение решеток и атомов, то такие элементы могут образовывать непрерывный ряд твердых растворов, т. е. количество замещенных атомов может изменяться от 0 до 100 %.

При этом считается, что растворителем является тот элемент, содержание которого в сплаве более 50 %.

Растворы внедрения образуются элементами, сильно отличающимися строением решетки и размерами атомов.

Твердые растворы являются гомогенными (однородными) сплавами, так как их структура представляет собой одинаковые по составу и свойствам зерна. Свойства твердых растворов в значительной степени могут отличаться от свойств входящих в него компонентов. Все металлы в той или иной степени могут растворяться один в другом, образуя твердые растворы.

Химические соединения образуются при химическом взаимодействии атомов компонентов сплава, сопровождающемся значительным тепловым эффектом. При этом кристаллическая решетка химического соединения и все его свойства могут резко отличаться от решетки и свойств компонентов. В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов. Типичными примерами химических соединений являются соединения магния с оловом, свинцом, сурьмой, висмутом, серой, селеном, теллуром и др. По своей структуре они гомогенны.

Химические соединения металлов называются интерметаллическими (интерметаллидами), а соединения металлов с неметаллами (нитридами, гидридами, боридами, карбидами), обладающие металлической связью, - металлическими соединениями.

Механические смеси образуются тогда, когда при затвердении расплава атомы его компонентов не перемешиваются, а кристаллизуются в характерную каждому решетку. Структура таких сплавов гетерогенна (неоднородна) и представляет собой смесь кристаллов компонентов сплава, сохранивших свою структуру.

Рис. 7. Кривые охлаждения аморфного (а ), кристаллического тела (б) и металлов (в), где t к t п - температура кристаллизации и переохлаждения, °C; (T 1 -T 2) - время кристаллизации, с.

Строение кристаллического тела обусловливает следующие особенные их свойства по сравнению с аморфными:

§ различие свойств монокристаллов в различных направлениях, т. е. анизотропность, или векториальность, свойств;

§ наличие плоскостей скольжения, приложение внешних сил приводит к скольжению (сдвигу) одной плоскости относительно другой;

§ существование критической температуры при затвердевании или плавлении, при которой происходит переход из жидкого (расплавленного) состояния в твердое или наоборот.

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией, а из твердого в жидкое - плавлением. Если образование кристаллов происходит из жидкости при ее охлаждении, то этот процесс называется первичной кристаллизацией, если образование кристаллов идет в твердом состоянии тела, - вторичной кристаллизацией.

Процессы кристаллизации графически изображают кривыми, строящимися в координатах температура - время (рис. 7).

Явление переохлаждения в кристаллизующемся металле объясняется тем, что в период затвердевания происходит резкое снижение подвижности атомов, вследствие чего скачкообразно изменяется его внутренняя энергия. Это сопровождается выделением тепла, которое подогревает жидкую ванну и некоторое время (T 1 -Т 2) удерживает ее температуру постоянной, пока жидкость полностью не закристаллизуется.

Степень переохлаждения тем больше, чем больше скорость охлаждения.

Русский ученый-металлург Д. К. Чернов в 1878 г. установил, что процесс кристаллизации состоит из нескольких стадий. Первая стадия - образование зародышей (центров) кристаллизации. На последующих стадиях из этих центров образуются дендриты (древовидные образования), которые, срастаясь, образуют зерна (кристаллиты). При этом они не имеют правильной геометрической формы, так как в местах соприкосновения растущих кристаллов рост граней прекращается.

Величина зерна металла - важнейшая характеристика, которая определяет все основные его свойства. Мелкозернистый металл имеет более высокие характеристики твердости, прочности, ударной вязкости, но у него пониженная электропроводность, хуже магнитные свойства.

Размер зерна зависит от количества центров кристаллизации и скорости роста кристаллов (скорости охлаждения). Чем больше центров кристаллизации и меньше скорость их роста, тем меньше будет зерно.

Образование центров кристаллизации может происходить самопроизвольно или на имеющихся в жидком металле частицах примесей, что используется при модифицировании - введении в жидкий металл примесей (модификаторов).

На образование центров кристаллизации, а следовательно, и величину зерна влияет степень переохлаждения t к -t п . Чем больше степень переохлаждения, тем больше центров кристаллизации и мельче образующееся зерно.

Метки:

В изготовлении машин и рабочих установок, наиболее применяемыми стали металлы и их сплавы.
Металлы – это вещества, которые обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью, блеском, ковкостью и другими свойствами, которые легко и не очень поддаются металлообработке .

В промышленности все металлы и сплавы делят на две категории: цветные и черные . Так называемые черные металлы – это чистое железо и сплавы на основе его материала. К цветным – относятся остальные виды металлов. Для правильного выбора металла для изготовления конструкций механизмов с дальнейшим анализом ее использования, механических и других свойст, которые влияют на надежность и работоспособность машин – нужно знать внутреннее строение, механические, физико-химические и технологические свойства, а также каким методом проделывать обработку металла и нуждается ли материал в резке металла (если материал нужно обработать резкой, то лучше это сделать при помощи плазменной резки металла).

В твердом состоянии все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Молекулы металлов (атомы, ионы) в пространстве располагаются в строго определенном порядке и между собой образуют кристаллическую решетку .
Образуется кристаллическая решетка посредством обработки металла , т.е. перехода его состояния из жидкого в твердое. Такой процесс носит название – кристаллизация . Впервые эти процессы были изучены ученым из России - Д.К. Черновым.

Процесс кристаллизации :
Сам процесс состоит из двух частей. У металла, который находится в жидком состоянии, атомы непрерывно двигаются. Если понизить температуру, то скорость передвижения атомов уменьшается, они сближаются и группируются в кристаллы (поэтому для того, чтобы изменить форму и структуру изделия, его подвергают металлообработке при помощи нагревания) – это первая часть, при ней образуются центры кристаллизации.
Затем идет рост вокруг центров кристаллизации – это уже вторая часть процесса. В самом начале рост кристаллов протекает свободно, но потом, рост одних – мешает росту другим, в результате формируется неправильная форма группы кристаллов, которые называются зёрнами. Размер полученных зёрен, значительно влияет на дальнейшую металлообработку изделий. Металл, состоящий из крупных зёрен - имеет низкую сопротивляемость к удару, если производится резка металла , то появляется трудность в получении низкой шероховатости на поверхности такого металла. Размеры зёрен зависят от условий кристаллизации и свойств самого металла.

Способы изучения металлической структуры :
Исследование структуры металлов и сплавов производится посредством макро и микро – анализов, а также и другими способами. При помощи макро-анализа изучается строение металла, которое можно увидеть невооруженным глазом или при помощи лупы. Эта структура определяется по макрошлифам или изломам. Макрошлиф – это образец металла, одна из сторон которого травлена кислотой и отшлифована.
При микро-анализе изучается размеры и формы зёрен, их структурные составляющие, выявляют микродефекты и качество термической обработки металла . Этот анализ производится по микрошлифам при помощи микроскопа. Микрошлиф – это некий образец металла, который имеет плоскую отполированную поверхность, травленую слабым раствором кислоты.

Свойства металлов :
Металлические свойства подразделяются на физико-химические, технологические и механические. Под механическими свойствами понимается сопротивляемость металла к воздействию на него внешней силы. К механическим свойствам относятся вязкость , прочность , стойкость и другие.
Прочность – это свойства металла в определенных условия не разрушаться, но воспринимать воздействие внешних сил. Это свойство является важным показателем при выборе метода обработки металла .
Вязкость – это сопротивление материала при ударной нагрузке.
Твердость – свойства материала к сопротивлению внедрения в него другого материала.

К основными технологическими свойствами относятся - ковкость , свариваемость , свойства плавления , обрабатываемость резанием и другие.
Ковкость – это свойства материала подвергаться металлообработке ковкой и другим методам обработки давлением.
Свариваемость – свойства материала создавать прочные сварные соединения.
Свойства плавления – свойства материала в расплавленном виде заполнять литейные формы и создавать плотные отливки с нужной конфигурацией.
Обрабатываемость резанием – свойства материала подвергаться резке металла для того, чтобы придать детали нужную форму, размер и шероховатость поверхности. Лучшим методом резки металлов является плазменная резка металла . После этого процесса металла практически не нуждается в дальнейшей металлообработке .
Для того, чтобы получать качественное изделие с хорошим внешним и внутренним строением, нужно хорошо разбираться в строении металлов, ведь только так можно получить отличный результат.

У веществ в твердом состоянии строение кристаллическое или аморфное. В кристаллическом веществе атомы расположены по геометрически правильной схеме и на определенном расстоянии друг от друга, в аморфном же (стекле, канифоли) атомы расположены беспорядочно.

У всех металлов и их сплавов строение кристаллическое. На рис.12 показана структура чистого железа. Кристаллические зерна неопределенной формы не похожи на типичные кристаллы - многогранники, поэтому их называюткристаллитами, зернами или гранулами . Однако строение кристаллитов столь же закономерно, как и у развитых кристаллов.

Рис.12 . Микроструктура чистого железа (х - 150)

Виды кристаллических решеток . При затвердевании атомы металлов образуют геометрически правильные системы, называемыекристаллическими решетками . Порядок расположения атомов в решетке может быть различным. Многие важнейшие металлы образуют решетки, простейшие (элементарные) ячейки которых представляют форму центрированного куба ( - и - железо, хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец), куба с центрированными гранями ( - железо, алюминий, медь, никель, свинец) или гексагональную, как у шестигранной призмы, ячейку (магний, цинк, - титан, - кобальт).

Элементарная ячейка повторяется непрерывно в трех измерениях, образуя кристаллическую решетку, поэтому положение атомов в элементарной ячейке определяет структуру всего кристалла.

Элементарная ячейка центрированного куба (рис.13 ) состоит из девяти атомов, из которых восемь расположены по вершинам куба, а девятый - в его центре.

Рис.13. Элементарная ячейкаРис.14. Часть пространственной решет-

центрированного куба ки центрированного куба

Для характеристики кристаллической решетки (атомной структуры кристалла) применяют пространственную решетку , которая является геометрической схемой кристаллической решетки и состоит из точек (узлов), закономерно расположенных в пространств.

Рис.15. Элементарная ячейка кубаРис.16. Часть пространственной ре-

с центрированными гранями шетки куба с центрированными

На рис. 14 приведена часть пространственной решетки центрированного куба. Здесь взяты восемь смежных элементарных ячеек; узлы, расположенные по вершинам и в центре каждой ячейки, отмечены кружками. Элементарная ячейка куба с центрированными гранями (рис.15 ) состоит из 14 атомов, из них 8 атомов расположены по вершинам - куба и 6 атомов - по граням.

На рис.16 приведена часть пространственной решетки куба с центрированными гранями (гранецентрированного куба). На схеме имеется восемь элементарных ячеек; узлы расположены по вершинам и по центрам граней каждой ячейки. Гексагональная ячейка (рис.17 ) состоит из 17 атомов, из них 12 атомов расположены по вершинам шестигранной призмы, 2 атома - в центре оснований и 3 атома - внутри призмы. Для измерения расстояния между атомами кристаллических решеток пользуются специальной единицей, называемойангстремом см.

Рис.17. Гексагональная ячейка

Параметр решеток (сторона или шестигранника) у меди 3,6 А, а у алюминия 4,05 А, у цинка 2,67 А и т. д.

Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких слоев (оболочек) отрицательно заряженных и движущихся вокруг ядра электронов. Электроны внешних оболочек атомов металлов, называемые валентными , легко отщепляются, быстро движутся между ядрами и называютсясвободными . Вследствие наличия свободных электронов атомы металлов являются положительно заряженными ионами.

Таким образом, в узлах решеток, обозначенных кружками рис.14 и16 , находятся положительно заряженные ионы. Ионы, однако, не находятся в покое, а непрерывно колеблются положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, что вызывает расширение кристаллов, а при температуре плавления колебания частиц усиливаются настолько, что кристаллическая решетка разрушается.

Во всех кристаллах наблюдаются небольшие отклонения от идеальной решетки - незанятые узлы и различного рода смещения атомов.

Анизотропность и спайность кристаллов . В отдельных кристаллах свойства различны в разных направлениях. Если взять большой кристалл (существуют лабораторные и даже производственные методы выращивания крупных кристаллов) вырезать из него несколько одинаковых по размеру, но различно ориентированных образцов, и испытать их свойства, то иногда наблюдается весьма значительная разница в свойствах между отдельными образцами. Например, при испытании образцов, вырезанных из кристалла меди, относительное удлинение изменялось в пределах от 10 - 50 %, а предел прочности-от 14 до 35 кГ/мм 2 для различных образцов. Это свойство кристаллов называютанизотропностью . Анизотропность кристаллов объясняется особенностями расположения атомов в пространстве.

Следствием анизотропности кристаллов является спайность , которая выявляется при разрушении. В местах излома кристаллов можно наблюдать правильные плоскости, указывающие на смещение частиц под влиянием внешних сил не беспорядочное, а правильными рядами, в определенном направлении, соответственно расположению частиц в кристалле. Эти плоскости называютсяплоскостями спайности .

Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную искривленную, так называемую, раковистую поверхность.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят не из одного кристалла, а из множества отдельных кристаллитов, различно ориентированных друг к другу, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы во всех направлениях; это явление называют квазиизотропностью (кажущейся изотропностью).

Аллотропия металлов (или полиморфизм) - их свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагревания или охлаждения. Аллотропию обнаруживают все элементы, меняющие валентность при изменении температуры: например, железо, марганец, никель, олово и др. Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной температуре. Например, одно из превращений железа происходит при температуре 910°С, ниже которой атомы составляют решетку центрированного куба (см.рис.14 ), а выше - решетку гранецентрированного куба (см.рис.16 ).

Та или иная структура называется аллотропической формой или модификацией. Различные модификации обозначают греческими буквами  ,  ,  и т. д., причем буквой обозначают модификацию, существующую при температурах ниже первого аллотропического превращения. Аллотропические превращения сопровождаются отдачей (уменьшением) или поглощением (увеличением) энергии.

Кристаллизация металлов . Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация ). Перекристаллизацию из одной модификации в другую при остывании эатвердевшего металла называют (вторичной кристаллизацией ). Процесс кристаллизации металла легче всего проследить с помощью счетчика времени и термоэлектрического пирометра, который представляет собой милливольтметр, подключенный к термопаре. Термопару (две разнородные проволоки спаянные концами) погружают в расплавленный металл. Возникающий при этом термоток пропорционален температуре металла и стрелка милливольтметра отклоняется, указывая эту температуру по градуированной шкале.

Показания пирометра автоматически записываются во времени и по полученным данным строят кривые охлаждения в координатах «температура - время» (такие кривые вычерчивает самописец).

Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой .

На рис.18, а приведена кривая нагрева металла. Здесь точка а - начало плавления, точкаb - окончание плавления.

Рис.18. Кривые нагревания (а ) и охлаждения (б - без петли,

в - с петлей) металла

Участок а b указывает на неизменность температуры во времени при продолжающемся нагревании. Это показывает, что тепловая энергия затрачивается на внутреннее превращение в металле, в данном случае. на превращение твердого металла в жидкий (скрытая теплота плавления).

Переход из жидкого состояния в твердое при охлаждении сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить несколько ниже температуры плавления. Поэтому площадка на кривой охлаждения (рис.19,6 ) находится несколько нижеt пл при температуре переохлажденияt пр .

У некоторых металлов переохлаждение (t пл - t пр ) может оказаться весьма значительным (например, у сурьмы до 40°С) и при температуре переохлажденияt пр (рис. 18 , в ) сразу бурно начинается кристаллизация, в результате чего температура скачком повышается почти доt пл . В этом случае на графике вычерчивается петля теплового гистерезиса.

При затвердевании и при аллотропическом превращении в металле вначале возникают зародыши кристалла (центры кристаллизации), вокруг которых группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решетку.

Таким образом, процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов.

У каждого из возникающих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллизации кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкостью. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу и точки их соприкосновения определяют границы кристаллитов (зерен).

Кристаллизация железа . Рассмотрим в качестве примера кристаллизацию и критические точки железа.

Рис.19 . Кривые охлаждения и нагревания железа

На рис.19 приведены кривые охлаждения и нагревания чистого железа, которое плавится при температуре 1539 0 С. Наличие критических точек при меньших температурах указывает на аллотропические превращения в твердом железе.

Критические точки обозначаются буквой А , при нагревании обозначаютА c и при охлажденииAr индексы 2, 3, 4 служат для отличия аллотропических превращений (индекс 1 обозначает превращение на диаграмме состоянияFe - Fe 3 C .

При температурах ниже 768 0 С железо магнитно и имеет кристаллическую решетку центрированного куба. Эту модификацию называют -железо ; при нагревании она в точкеАс 2 переходит в немагнитную модификацию -железо . Кристаллическая структура при этом не меняется.

В точке Ас 3 при температуре 910 0 С -железо переходит в -железо с кристаллической решеткой гранецентрированного куба.

В точке Ас 4 при температуре 1401 0 С -железо переходит в -железо , причем кристаллическая решетка вновь перестраивается из гранецентрированного куба в центрированный куб.

При охлаждении происходят те же переходы, только в обратной последовательности.

Из перечисленных превращений наибольшее практическое значение имеют превращения А 3 как при нагреве (Ас 3 ), так и при охлаждении (А r 3 ).

Превращение в точке А 3 сопровождается изменением объема, так как плотность кристаллической решетки -железа больше плотности решетки -железа , в точкеАс 3 объем уменьшается, в точкеAr 3 - увеличивается.

Структура металлов и сплавов

К атегория:

Автомобильные материалы и шины

Структура металлов и сплавов

1. Развитие металлографии

Металлография, или металловедение,- наука, занимающаяся изучением свойств, состава и структуры металлов и их сплавов. Металловедение кзк наука создана русскими учеными-металлур-гами. Выдающийся русский ученый-металлург Павел Петрович Аносов первый заложил основы металловедения. Работая на Златоустовском оружейном заводе на Урале, он впервые в мире в 1831 г. применил микроскоп для исследования строения стали на полированных травленых шлифах. П. П. Аносов положил начало современному процессу производства стали, называемому мартеновским; он осуществил метод передела чугуна в сталь (в 1873 г.) без добавки железа, опередив этим более чем на 30 лет братьев Мартен.

П. П. Аносов проделал большую научную работу по изучению влияния углерода на свойства стали. Его научные работы оказали большое влияние на развитие производства качественных сталей и на улучшение методов их термической обработки. Дальнейшую работу по изучению свойств металлов и металлических сплавов в зависимости от изменения их состава и строения продолжал гениальный русский ученый Дмитрий Константинович Чернов. Работая инженером на Обуховском сталелитейном заводе в Петербурге, он сделал открытие, которое имело исключительно важное значение для дальнейшего развития металловедения. Д. К. Чернов в результате многочисленных наблюдений над поведением стальных поковок в процессе тепловой обработки установил, что при определенных температурах в стали, находящейся в твердом состоянии, происходит перестройка ее частиц, благодаря чему изменяется структура стали и ее свойства.

Открытия, сделанные Д. К. Черновым, были опубликованы в 1868 г., в связи с чем он получил всемирную известность и заслуженно считается основоположником металлографии. Благодаря его открытиям стала возможной правильная, научно обоснованная термическая обработка металлов и металлических сплавов.

Последователи и ученики Д. К. Чернова - Н. С. Курнаков, А. А. Байков и др.- в дальнейшем способствовали своими научными работами и исследованиями еще большему развитию отечественного металловедения.

2. Кристаллическая структура металлов

Существуют тела аморфные и кристаллические. Структура аморфных тел состоит из хаотически расположенных атомов. К таким телам относятся, например, стекло, янтарь, смолы и т. п. Кристаллические тела отличаются от аморфных тем, что атомы в них располагаются в геометрически правильном порядке. Металлы и металлические сплавы относятся к типичным кристаллическим телам. Атомы, располагаясь в металлах в строго определенном геометрическом порядке, образуют кристаллическую решетку (рис. 11). В зависимости от расположения атомов образуются различные виды кристаллических решеток.

В металлах чаще всего встречаются кристаллические решетки в виде центрированного куба, гранецентрированного куба и гексагональной призмы.

Такие, например, металлы как хром, ванадий, вольфрам, молибден и ряд других, имеют кристаллическую решетку в виде центрированного куоа (рис. 12, а), в которой восемь атомов располагаются в углах куба и один - в центре куба.

Алюминий, медь, свинец, никель, серебро и др. имеют кристаллическую решетку - гранецентрированную, т. е. в виде куба с центрированными гранями (рис. 12,6). В такой решетке в каждом углу куба находится по одному атому и по одному атому в центре каждой грани. Всего, следовательно, 14 атомов.

Кристаллическую решетку в зиде гексагональной призмы (рис. 12, е) имеют такие металлы, как, например, цинк, титан, марганец. Расположение атомов в кристаллической решетке типа гексагональной призмы следующее: в каждом углу призмы находится по одному атому, в центре верхнего основания один атом, в центре нижнего основания один атом и три атома в среднем сечении.

Рис. 11. Кристаллическая решетка

Рис. 12. Виды кристаллических решеток:
а - куб центрированный; б - куб гранецентрированный; в - гексагональная призма

Расстояния между атомами в кристаллической решетке чрезвычайно малы и измеряются специальной единицей длины, которая носит название ангстрема (по имени ученого). Один ангстрем равен одной стомиллионной Юле сантиметра.

В расплавленном жидком металле атомы находятся в движении.‘Движение их носит хаотический характер, но по мере того, как температура металла понижается и приближается к критической, т. е. к температуре затвердевания, в нем образуются так называемые центры кристаллизации, или зародыши кристаллизации. Центры кристаллизации представляют собой чрезвычайно мелкие группы атомов, которые группируются в геометрически правильном порядке.

Образующиеся зародыши кристаллизации очень неустойчивы, и многие из них снова растворяются. Практическими наблюдениями установлено, что зародыши кристаллизации приобретают устойчивость и начинают расти тогда, когда жидкий металл переохладится до некоторой температуры. Кривая охлаждения чистого металла дает наглядное представление о том, как протекает процесс кристаллизации.

Рис. 13. Кривая охлаждения чистого металла

В переохлажденном металле (рис. 13, а) процесс кристаллизации начинает протекать быстрее. После начала интенсивной кристаллизации температура переохлажденного металла поднимается до температуры его затвердевания (б) за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации.

Рис. 14. Схема образования зерен

В течение всего процесса кристаллизации температура металла остается постоянной (б, в). После того как металл перейдет из жидкого состояния в твердое, начинается понижение его температуры до температуры окружающей среды (г). В процессе кристаллизации происходит рост зародышей за счет атомов из окружающей их жидкости, которые располагаются в кристаллической решетке в строго определенном порядке (рис. 14, а, б). Вначале рост зародышей кристаллизации протекает свободно, и они имеют правильную внешнюю геометрическую форму. Но так как одновременно образуется много зародышей, то наступает такой момент, когда они начинают встречаться друг с другом (рис. 14, в, г, д). После такого столкновения рост их становится возможным только в тех направлениях, где нет помех. Это приводит к тому, что внешняя геометрическая форма кристаллов металла становится неправильной, вследствие чего они обычно называются зернами металла (рис. 14, е).

3. Изменение структуры в твердых металлах (явление аллотропии)

Структура некоторых металлов, находящихся в твердом состоянии, может при известной температуре испытывать превращения, которые представляют собой перегруппировку атомов и переход из одного вида кристаллической решетки в другой. Такое явление носит название аллотропии металлов. Различные кристаллические формы, в которые кристаллизуется один и тот же твердый металл при определенных температурах, называются аллотропическими модификациями. Аллотропические модификации обозначаются греческими буквами. Переход из одной модификации в другую происходит при определенной, постоянной температуре и сопровождается поглощением тепла (при нагреве) или выделением тепла (при охлаждении) и образованием новой кристаллической решетки.

Рис. 15. Кривая охлаждения чистого железа

Чистое железо существует в нескольких модификациях. На кривой охлаждения чистого железа (рис. 15) видно, при каких температурах происходят аллотропические превращения железа. До температуры 910° железо имеет кристаллическую решетку в виде центрированного куба и называется альфа-железо a-Fe. .причем до 770° a-Fe магнитно, а выше 770° немагнитно. При температуре 910° кристаллическая решетка a-Fe меняется и переходит в гранецентрированную; эта модификация называется гамма-железо y-Fe и устойчива до температуры 1390°, при которой вновь превращается в решетку центрированного куба. Новая модификация называется дельта-железо 8-Fe. Аллотропические превращения имеют очень важное значение, так как металлы, испытывающие такие превращения, могут подвергаться термической обработке. Аллотропическим превращениям подвержены, кроме железа, и некоторые другие металлы, как, например, титан, марганец, кобальт, цирконий, олово.

4. Строение сплавов

Сплавом называется сложное вещество, полученное сплавлением двух или нескольких элементов. Элементы, составляющие сплав, называются компонентами сплава. В жидком состоянии сплав представляет раствор, в котором атомы одного компонента равномерно распределяются между атомами других компонентов, благодаря чему жидкий раствор обладает одинаковыми свойствами в любой своей части, как бы она ни была мала. Такие вещества называются однородными. Свойства любого жидкого раствора отличаются от свойств его компонентов, но каждый компонент оказывает влияние на характер свойств раствора. При тщательном исследовании жидких растворов оказывается, что физические, электрические и другие свойства этих растворов резко отличаются от свойств их компонентов и могут изменяться в зависимости от процентного содержания компонентов, т. е. от концентрации‘раствора.

Концентрацией раствора называется отношение веса растворимого вещества к весу всего раствора. Концентрация выражается обычно в процентах. При переходе сплава из жидкого состояния в твердое могут получаться различные виды взаимодействия компонентов. Основными видами взаимодействия компонентов являются: механическая смесь, химическое соединение и твердый раствор.

Механическая смесь представляет такой вид взаимодействия компонентов, при котором в процессе кристаллизации компоненты сплава не вступают в химическую реакцию и не растворяются один в другом, а сохраняют свои кристаллические решетки. Следовательно, структура сплава, являющегося механической смесью двух каких-либо компонентов, например, свинца и сурьмы, будет состоять из чрезвычайно мелких кристаллов свинца и кристаллов сурьмы.

В случае химического соединения взаимодействие компонентов сплава характеризуется образованием совершенно новой кристаллической решетки, не похожей на кристаллические решетки компонентов; при этом соотношение компонентов всегда будет строго определенным.

Твердый раствор отличается от механической смеси и химического соединения тем, что в нем сохраняется кристаллическая решетка металла-растворителя, в которой размещаются атомы всех компонентов сплава. Металл, кристаллическая решетка которого сохраняется после образования твердого раствора, называется растворителем. Твердые растворы могут быть двух видов: твердый раствор внедрения и твердый раствор замещения. В твердом растворе внедрения атомы растворенного вещества располагаются между атомами растворителя (рис. 16, а). В твердом растворе замещения атомы растворенного вещества частично замещают собой атомы растворителя в его кристаллической решетке (рис. 16,6).

Рис. 16. Решетка твердого раствора:
а - внедрения; б - замещения

5. Диаграмма состояния сплавов (свинец - сурьма) и ее построение

Для изучения сплавов обычно пользуются диаграммами состояния сплавов. Диаграммы состояния сплавов заменяют собой все записи и кривые охлаждения сплава, полученные в результате Многочисленных наблюдений. Такая диаграмма дает возможность видеть все изменения строения сплава и его свойств, происходящие в зависимости от изменения концентрации и температуры. Любая точка диаграммы дает характеристику сплаза определенной концентрации и структуры. По диаграмме состояния сплавов можно определить температуру плавления и температуру затвердевания данного сплава при любой концентрации. Знание этих фактов способствует правильному выбору температур нагрева и охлаждения при термической и химико-термической обработках различных сплавов.

Для того чтобы уяснить, как строится диаграмма состояния сплавов, рассмотрим построение такой диаграммы для сплавов свинца и сурьмы. Возьмем чистые металлы свинец и сурьму и несколько их сплавов с содержанием сурьмы 5%, 10%, 13%, 20%, 40% и 80%.

Рис. 17. Кривые охлаждения свинца, сурьмы и различных сплавов свинца с сурьмой

Чтобы определить критические точки взятых металлов и их сплавов, нагреем поочередно каждый металл и сплав до полного расплавления и с помощью термопары или пирометра внимательно проследим за процессом их охлаждения и построим кривые охлаждения (рис. 17). В процессе охлаждения расплавленного чистого свинца будут происходить следующие явления.

При температурах, лежащих выше 327°, свинец находится в жидком состоянии (рис. 17, а); при температуре 327° наблюдается процесс кристаллизации свинца с задержкой падения температуры до полного завершения кристаллизации; после окончания кристаллизации происходит дальнейшее охлаждение твердого свинца до температуры окружающей среды.

Аналогичные явления наблюдаются и в процессе охлаждения расплавленной чистой сурьмы (рис. 17, б), с той лишь разницей, что кристаллизация сурьмы начинается при температуре 630°.

Сплав, состоящий из 95% свинца и 5% сурьмы (рис. 17,в), имеет кривую охлаждения с двумя критическими точками, поэтому он затвердевает в интервале температур 296-246°. При температуре 296° из жидкого сплава начинают выделяться первые кристаллы чистого свинца. Кривая в этой точке имеет перегиб. По мере дальнейшего понижения температуры количество кристаллов свинца будет все более увеличиваться, а остающаяся часть жидкого сплава будет обогащаться сурьмой. Такое явление продолжается до тех пор, пока концентрация жидкого сплава не достигнет 13% сурьмы и 87% свинца; при такой концентрации весь сплав, оставшийся еще жидким, затвердеет при температуре 246°. Сплав, состоящий из 30% свинца и 10% сурьмы (рис. 17, г), затвердеет также в интервале температур 260-246°. При температуре 260° начинается выделение из жидкого сплава кристаллов свинца. При достижении концентрации жидкого сплава до 13% сурьмы и 87% свинца происходит затвердевание сплава при температуре 246° (рис. 17, д). Следовательно, при охлаждении вышеприведенных сплавов, прежде чем будет достигнута критическая температура 246°, весь лишний, избыточный сверх 87% свинец выделяется из жидкого сплава в виде кристаллов. По достижении состава 87% свинца и 13% сурьмы сплав переходит в твердое состояние при температуре 246°. Структура затвердевшего сплава такой концентрации состоит из правильно чередующихся между собой частиц свинца и сурьмы. Такая механическая смесь называется эвтектической. Все сплавы свинца с сурьмой, содержащие сурьмы меньше, чем 13%, будут всегда иметь избыток свинца и при охлаждении стремятся выделить этот избыток в виде твердых кристаллов свинца, чтобы при температуре 246° образовать эвтектику. Тогда, очевидно, в твердом состоянии такие сплавы будут иметь структуру свинец + эвтектика. Сплав, состоящий из 87% свинца и 13% сурьмы, имеет кривую охлаждения (рис. 17, д) с одной критической точкой. Этот сплав находится в жидком состоянии при температурах, лежащих выше 246°. При температуре 246° сплав полностью переходит в твердое состояние.

Такая структура твердого сплава представляет собой чистую эвтектику. Сплав, состоящий из 80% свинца и 20% сурьмы (рис. 17, е), при температурах выше 280° находится в жидком состоянии. При охлаждении сплава до температуры 280° из него начинают выделяться кристаллы твердой сурьмы, причем этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока оставшийся жидкий сплав не примет эвтектического состава. При температуре 246° весь сплав затвердевает. Структура затвердевшего сплава будет состоять из кристаллов сурьмы и эвтектики. Сплав, состоящий из 60о/0 свинца и 40о/0 сурьмы (рис. 17, ж), выше температуры 395° Находится в жидком состоянии. При температуре 395° начинается процесс кристаллизации с выделением из жидкого раствора кристаллов избыточной сурьмы. По достижении эвтектического состава- (87о/0 свинца и 13% сурьмы) при температуре 246° весь сплав переходит в твердое состояние, образуя структуру, состоящую из кристаллов сурьмы и эвтектики.

Сплав, состоящий из 20% свинца и 80% сурьмы (рис. 17, з), находится в жидком состоянии выше температуры 570°. При температуре 570° начинается процесс выделения из жидкого сплава кристаллов избыточной сурьмы. По достижении эвтектического состава при температуре 246° весь сплав переходит в твердое состояние. Структура сплава состоит из кристаллов сурьмы и эвтектики. Приведенные наблюдения показывают, что все сплавы свинца с сурьмой, в которых содержание свинца меньше 87о/0, содержат избыток сурьмы и при охлаждении будут стремиться выделить этот избыток в процессе кристаллизации в виде твердых кристаллов сурьмы, чтобы при температуре 246° образовать эвтектику. Чем больше будет сурьмы в сплаве, тем при более высокой температуре начнет выделяться из него при охлаждении избыточная (против 13<>/0) сурьма. Сплавы свинца с сурьмой при наличии в них избыточной сурьмы образуют в твердом состоянии структуру, состоящую из кристаллов сурьмы и эвтектики.

Рис. 18. Диаграмма состояния сплавов системы свинец-сурьма

Кривые охлаждения сплавов свинца и сурьмы с различным процентным содержанием Компонентов можно объединить в одну диаграмму состояния сплавов свинца с сурьмой. Для этого на горизонтальной оси (рис. 18) отложим содержание свинца и сурьмы в испытанных сплавах. Через точки, соответствующие 100% сурьмы и 100% свинца, проведем вертикальные прямые линии, на которых отложим температуры от 0 до 700°. Через точки, отвечающие составам испытанных сплавов, проведем пунктиром вертикальные линии. После этого переносим с кривых охлаждения критические точки на вертикальные линии диаграммы. Критическую точку чистого свинца (327°) обозначим буквой А, а критическую точку чистой сурьмы (630°) буквой С. Как известно из предыдущих наблюдений, каждый сплав имеет две критические точки, кроме эвтектического сплава. Критическую температуру эвтектического сплава обозначим буквой В. Соединим точки А и С плавными кривыми с точкой В так, чтобы кривые проходили через все верхние критические точки. Через все нижние критические точки проведем прямую линию, которая пройдет и через точку В, и обозначим ее левый конец буквой D, а правый конец буквой Е. Верхние критические точки являются точками начала затвердевания сплавов, а нижние критические точки - точками конца затвердевания сплавов. Линия ABC диаграммы называется линией ликвидуса (от латинского слова жидкий). Выше линии ABC все сплавы свинца и сурьмы находятся в жидком состоянии. Линия DBE называется линией солидуса (от латинского слова «твердый»). Ниже линии DBE все сплавы свинца с сурьмой находятся в твердом состоянии, причем ниже линии DB они будут состоять из кристаллов свинца и эвтектики и называются доэвтектическими, ниже точки В - из чистой эвтектики (так называемые эвтектические) и ниже линии BE - из кристаллов сурьмы и эвтектики (заэвтектические).

6. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Существуют различные структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. Они имеют следующие названия: феррит, цементит, аустенит.

Ферритом называется химически чистое железо, а также твердый раствор углерода в железе. Растворимость углерода в железе чрезвычайно мала и обычно составляет 0,006-0,04%. Феррит устойчив до температуры 910°. Он обладает небольшой твердостью и малой прочностью. Твердость феррита зависит от размера зерна; пластичность феррита высокая.

Цементитом называется химическое соединение железа с углеродом. Цементит содержит 6,67% углерода (по весу) и представляет собой очень твердое и хрупкое кристаллическое вещество, которое при нагревании до высоких температур распадается на феррит и свободный углерод (углерод отжига). В белом чугуне содержится большое количество цементита. Цементит оказывает значительное влияние на механические свойства стали.

Механическая смесь феррита и цементита образует структуру стали, называемую перлитом. Перлит бывает двух видов: пластинчатый, или полосчатый, и зернистый. Пластинчатый перлит имеет вид перемежающихся ‘очень мелких пластинок феррита и цементита. Путем нагрева до определенных температур можно изменить строение пластинчатого перлита и получить так назы-ваёмый зернистый перлит, в котором цементит находится в виде круглых зерен, расположенных среди феррита.

Зернистый перлит обладает лучшими механическими свойствами, чем пластинчатый. Перлит по своим механическим свойствам занимает промежуточное положение между ферритом и цементитом. Сталь с содержанием углерода 0,83% имеет чистую перлитную структуру.

Аустенит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в железе. Растворимость углерода в у-железе может достигать 1,7%. В обыкновенной углеродистой стали аустенит устойчив до температуры 723°. Ниже 723° он распадается на феррит и цементит. При температурах, лежащих ниже 723°, аустенит может сохраняться только в высоколегированных марганцовистых, хромоникелевых или никелевых сталях.

Эвтектическая смесь аустенита и цементита образует структуру стали, называемую ледебуритом. Ледебурит образуется при затвердевании железоуглеродистого сплава с содержанием углерода 4,3% при температуре 1130°. Ледебурит остается устойчивым до температуры 723°. Ниже этой температуры ледебурит изменяет свою структуру, так как входящий в его состав аустенит распадается на перлит, вследствие чего ледебурит при температурах ниже 723° будет состоять из перлита и цементита.

7. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Стали и чугуны представляют собой сложные сплавы, содержащие, кроме железа и углерода, другие элементы - кремний, марганец, фосфор и серу, а также цветные металлы (в легированных сталях и чугунах). Главнейшей составной частью, определяющей характер и свойства железоуглеродистого сплава, является углерод. Структура и свойства стали и чугуна изменяются лишь при условии нагрева их до критических температур, зависящих от содержания углерода в этих сплавах. Критические температуры железоуглеродистых сплавов с разным содержанием углерода могут быть нанесены на специальную диаграмму, называемую диаграммой состояния сплавов системы железо - углерод.

Такая диаграмма (рис. 19) позволяет определить для каждого сплава стали и чугуна температуру его плавления, все превращения, испытываемые сплавом при охлаждении и нагревании, и структуру сплава при любой температуре. По горизонтальной оси диаграммы откладывается содержание углерода в процентах, а по вертикальной оси - температура. Каждая точка на диаграмме представляет собой определенный сплав при определенной температуре. Выше линии ACD все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия АCD есть линия ликвидуса.

Чистое железо плавится и затвердевает в одной точке при температуре 1535°. Все остальные сплавы железа с углеродом плавятся и затвердевают в некотором промежутке температур, постепенно изменяющемся. Сплавы, содержащие от 0 до 4,39% углерода, начинают затвердевать по линии АС, выделяя твердые кристаллы аустенита. Сплавы, содержащие более 4,3% углерода, начинают затвердевать по линии CD, выделяя твердые кристаллы цементита Fe3C. Сплав, содержащий 4,3% углерода, затвердевает полностью в точке С, выделяя одновременно кристаллы аустенита и цементита, в результате чего образуется эвтектика, называемая ледебуритом. Линия AECF есть линия солидуса. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Область диаграммы, ограниченная линиями АС, СЕ, ЕА, представляет сплавы, состоящие из твердых кристаллов аустенита и жидкого сплава; область диаграммы, ограниченная линиями DC. CF, FD, включает сплавы, состоящие из твердых кристаллов цементита и жидкого сплава.

Рис. 19. Диаграмма состояния системы железо - углерод

Сплавы, находящиеся в области диаграммы, ограниченной линиями АЕ, ES, SG, состоят из аустенита. По линии ES начинает выделяться из аустенита цементит. Ниже линии PSK весь оставшийся аустенит распадается в точке 5 на феррит и цементит, образуя механическую смесь, называемую перлитом, причем в точке 5 сплав содержит углерода 0,83°/о. Такой сплав называется эвтектоидным. Линия GPQ показывает предел насыщения а-железа углеродом.

8. Изменение структуры стали

При нагревании стали выше критической точки Aci (рис, 20) (температура, при которой перлит превращается в аустенит) в структуре стали, как известно, начинают происходить превращения. После окончания превращения дальнейшее нагревание или выдержка ведут к росту аустенитного зерна. Рост зерна происходит самопроизвольно, причем скорость этого процесса увеличивается с повышением температуры.

Рост аустенитного зерна протекает по-разному и зависит от склонности зерна к росту. В зависимости от этого различают стали наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые. Под наследственностью понимают склонность зерна к росту. Наследственно крупнозернистые стали обладают повышенной склонностью аустенитного зерна к росту, а наследственно мелкозернистые малой склонностью к росту.

Изменение размеров зерна при нагревании указанных сталей видно из рис. 20. При нагревании стали выше критической точки Асх размер зерна стали резко уменьшается. При дальнейшем нагревании аустенитное зерно в наследственно мелкозернистых сталях не растет до температур порядка 950--1000°, после чего начинается быстрый рост зерна.

В наследственно крупнозернистых сталях зерно начинает расти сразу после перехода через критическую точку Ас\. Размер аустенитного зерна имеет большое значение для получения окончательных результатов при термической обработке сталей. Превращение перлита ib аустенит сопровождается измельчением зерна. Образующееся при этом превращении зерно очень мелко. При обратном превращении аустенитного зерна в перлитное изменений в его размере почти не происходит (рис. 21). Следовательно, размер перлитного зерна зависит главным образом от размера аустенигного зерна. А так как аустенитное зерно растет только при нагревании, то, нагревая сталь до определенных температур, можно получить окончательно требуемый размер зерна стали. Размер действительного зерна стали, т. е. зерна, полученного в результате той или иной термической обработки, оказывает большое влияние на механические свойства стали.

Рис. 20. Схема роста зерна в наследственно-мелкозернистой и в наследственно-крупнозернистой стали

Крупнозернистая сталь хорошо прокаливается и обрабатывается режущим инструментом, но в то же время она более склонна к закалочным деформациям, к образованию в ней трещин. Мелкозернистые стали обладают большей ударной вязкостью в сравнении с крупнозернистыми сталями, но меньшей прокаливае-мостью. Для изготовления изделий, которым требуется вязкая сердцевина при твердой поверхности, применяется мелкозернистая сталь.

При медленном охлаждении нагретой стали до аус-тенитного состояния аусте-нит превращается в перлит, феррит и цементит. При больших скоростях охлаждения - от 40 до 200° в секунду и более - в результате распада аустенита получаются структуры стали: сорбит, троостит и мартенсит.

Сорбит бывает двух видов: сорбит закалки и сорбит отпуска. Сорбит закалки состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита, но пластинки цементита в нем значительно тоньше, чем в перлите. Сорбит тверже перлита, но обладает меньшей вязкостью. Сорбит отпуска получается в результате распада мартенсита в стали при отпуске ее в интервале температур 500-600°. В сорбите отпуска частицы цементита имеют шарообразную форму. Троостит, так же как и сорбит, различается двух видов: троостит закалки и ‘троостит отпуска.. Троостит представляет механическую смесь пластинок феррита и цементита, но более тонких, чем в сорбите. Троостит обладает большей твердостью по сравнению с сорбитом, но меньшей вязкостью. Троостит отпуска является продуктом распада мартенсита при отпуске его в интервале температур 350-450°.
Мартенсит представляет собой твердый раствор внедрения углерода. Кристаллы мартенсита имеют иглообразную форму. Он обладает высокой твердостью и хорошо сопротивляется износу; пластичность и вязкость его низкие.

Рис. 21. Изменение размера зерна в процессе перекристаллизации

К атегория: - Автомобильные материалы и шины