yandex rtb 1
ГоловнаЗворотній зв'язок
yande share
Главная->Різні конспекти лекцій->Содержание->2. ОСНОВИ МЕТАЛОЗНАВСТВА

Металургія

2. ОСНОВИ МЕТАЛОЗНАВСТВА

2.1. Будова та кристалізація металів

Атомно-кристалічна структура металів. Під атомно-кристалічною структурою розуміємо взаємне розташування атомів (іонів) у реальному кристалі. Залежно від будови (розташування атомів) тверді тіла поділяють на аморфні та кристалічні. Аморфні характеризуються хаотичним розташування атомів. Для кристалічного стану характерно, перш за все, певне закономірне розташування атомів у просторі. Кожен атом (іон) у кристалі оточений певною кількістю найближчих атомів (сусідів), розташованих на однаковій відстані від нього. Розташування атомів у кристалі зручно зобразити у вигляді простих схем – елементарних кристалічних граток. Під цим розуміємо найменший комплекс атомів, що дозволяє відтворити при багатократному повторенні просторову кристалічну гратку (рис. 6).

Серед промислових металів найпоширенішим є утворення трьох основних типів кристалічних граток:

1.      У об'ємноцентрованій кубічній гратці (рис. 6, а) атоми розташовані у вершинах кубу і один атом у центрі кубу. Таку кристалічну гратку мають фосфор, калій, натрій, хром, вольфрам, молібден і ін.

2.      у гранецентрованній кубічній гратці (рис. 6, б), атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані. Ці гратки мають алюміній, мідь, нікель, золото, срібло гама-залізо та інші метали.

3.      У гексагональній гратці щільного пакування (рис. 6, в) атоми розташовані у вершинах і центрах основ шестигранної призми і три атоми в середині призми. Такий тип граток мають магній, цинк, альфа-титан і деякі інші метали.

а)

 

б)

 

в)

 
 

Рисунок 6 - Основні види кристалічних граток

 

Дефекти кристалічної будови металів. Реальний металевий кристал завжди має дефекти кристалічної будови. Вони підрозділяються на точкові, лінійні і поверхневі.

До точкових дефектів відносяться вакансії, між вузлові та домішкові атоми. Вони малі у всіх трьох вимірюваннях.

Точкові дефекти викликають місцеві спотворення кристалічних граток, які затухають достатньо швидко у міру віддалення від дефекту. Їх розгядають як центр стиснення або розширення у пружинному середовищі, що зумовлює викривлення біля нього кристалічної гратки. Точкові дефекти можуть взаємодіяти між собою, утворюючи пари або комплекси різних недосконалостей.

До лінійних дефектів відносяться такі, що мають невеликі розміри у двох вимірах і значну протяжність у третьому. Це може бути низка вакансій або міжвузлових атомів. Основним і найважливішим видом лінійної недосконалості є крайові та гвинтові дислокації.

Поверхневі дефекти незначні за розмірами лише в одному вимірюванні – це поверхні розділу між окремими зернами або субзернами у полікристалічному металі. Полікристал складається з великої кількості зерен, кристалічні гратки яких розорієнтовані (за кристалографічними напрямками) на кути до кількох десятків градусів. Тому границі між зернами називають великокутовими. Кожне зерно складається з окремих фрагментів – субзерен, розрієнтованих один від одного на один або кілька градусів. Границі між ними називають малокутовими. Себзерна у свою чергу складаються немовби з мозаїки окремих блоків розміром 1000 – 100000, кристалографічні площини яких розорієнтовані на невеликий кут – менше 1о.

До об’ємних дефектів відносяться скупчення точкових дефектів, що утворюють пори, а також вкраплення іншої фази.

Кристалізація металів. Процес утворення в металах кристалічних граток називається кристалізацією. Для вивчення процесу кристалізації будують криві охолоджування металів, які показують зміну температури (t) в часі (т). Існують такі криві охолоджування, як аморфної і кристалічної речовин. Затвердіння аморфної речовини відбувається поступово, без різко вираженої межі між рідким і твердим станами. На кривій охолоджування кристалічної речовини є горизонтальна ділянка з температурою tкр, званою температурою кристалізації. Наявність цієї ділянки говорить про те, що процес супроводжується виділенням прихованої теплоти кристалізації. Довжина горизонтальної ділянки — цей час кристалізації.

Кристалізація металу відбувається поступово. Вона об'єднує два процеси, що відбуваються одночасно: виникнення центрів кристалізації і зростання кристалів. В процесі кристалізації, коли кристал, що росте, оточений рідиною, він має правильну геометричну форму. При зіткненні кристалів, що ростуть, їх правильна форма порушується (рис. 7).

 

Рисунок 7 - Схема процесу кристалізації металу

 

Після закінчення кристалізації утворюються кристали неправильної форми, які називаються зернами або кристалітами. Усередині кожного зерна є певна орієнтація кристалічних граток, відмінна від орієнтації граток сусідніх зерен.

Дендритна кристалізація металевого злитка. Реальні метали і сплави переходять у твердий стан (кристалізуються) з утворенням, за умов переохолодження і наявності домішок у розплаві, кристалів розгалуженої форми – дендритів. Характерним для дендритної кристалізації є те, що зародки ростуть з нерівномірною швидкістю і переважно у напрямках інтенсивного тепло відводу, де швидкість росту максимальна. У цих напрямках формується вісь (або гілка) першого порядку – стовбур майбутнього дендритного кристалу. Подальше збільшення розмірів осі першого порядку відбувається не лише за допомогою, а й за перерізом зростаючого кристалу. Внаслідок цього вісь завтовшки більша в основі та менша біля вістря. З часом від осей першого порядку під певним кутом починають рости нові гілки – осі другого, третього, четвертого та інших порядків. Зі зростанням гілок високих порядків заповнюються всі проміжки, які займає рідкий метал. Внаслідок нерівномірної кристалізації зерен дендритної форми у різних місцях дендрита хімічний склад неоднаковий. Таку неоднорідність складу в межах одного дендритного кристалу називають дендритною ліквацією.

Поліморфізм. Деякі метали залежно від температури можуть існувати в різних кристалічних формах. Це бачення називається поліморфізм або алотропія, а різні кристалічні форми однієї речовини називаються поліморфними модифікаціями. Процес переходу від однієї кристалічної форми до іншої називається поліморфним перетворенням. Поліморфні перетворення протікають при певній температурі.

Поліморфні модифікації позначають малими грецькими буквами α, β, γ, δ і т.д., причому α відповідає модифікації, існуючій при найнижчій температурі. Поліморфізм характерний для заліза, олова, кобальту, марганцю, титана і деяких інших металів.

Рідкий стан

 
Важливе значення має поліморфізм заліза. На рис. 8 зображена крива охолоджування заліза. Поліморфні перетворення характеризуються горизонтальними ділянками на кривій охолоджування, оскільки при них відбувається повна перекристаллизация металу. До 991°С стійке Feα, має кубічні об'ємно центровану гратку. В інтернаті 911 – 1392оC існує Feγ з кубічною гранецентрованною кристалічною граткою. При 1392-1539оС знов стійке Feα. Часто високотемпературну модифікацію Feα позначають Feδ. Зупинка на кривій охолоджування при 768°С пов'язана не з поліморфним перетворенням, а із зміною магнітних властивостей. До 768°С залізо магнітне, а вище — немагнітне.

 

Рисунок 8 - Крива охоложення заліза

 

Наклеп і рекристалізація. При пластичній деформації змінюється не тільки форма і розміри металу, але також його внутрішня будова і механічні властивості. Зерна розвертаються, деформуються і сплющуються, витягуючись у напрямі деформації. Утворюється волоконна структура. При цьому міцність і твердість металу підвищуються, а пластичність і в'язкість знижуються. Явище зміцнення металу при пластичній деформації називається наклепом.

Волоконна будова і наклеп можуть бути усунені при нагріві металу. Часткове зняття наклепа відбувається вже при невеликому нагріві (до 300-400°С для заліза). Але волоконна структура при цьому зберігається. При нагріві до більш високої температури в металі відбувається утворення нових рівноосних зерен. Цей процес називається рекристалізацією. Наклеп при цьому знімається повністю.

Температура, при якій починається процес рекристалізації, називається температурою рекристалізації.

 

10