Конспект лекции по материаловедению PDF

Строение и свойства материалов Металлы и неметаллы Особенности атомно-кристаллического строения Все твёрдые тела делятся на аморфные и кристаллические. В аморфных телах атомы расположены хаотично, т. е. в беспорядке, без всякой системы При...

Строение и свойства материалов Металлы и неметаллы Особенности атомно-кристаллического строения Все твёрдые тела делятся на аморфные и кристаллические. В аморфных телах атомы расположены хаотично, т. е. в беспорядке, без всякой системы Примерами аморфных тел могут служить стекло, клей, воск, канифоль. В кристаллических телах атомы расположены в строго определённой последовательности. К телам с кристаллическим строением относят поваренную соль, кварц, сахарный песок, металлы и сплавы. В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место. Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике. Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми. Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств:  «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);  пластичность;  высокая теплопроводность;  высокая электропроводность. Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объёму металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов. Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа». Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка. Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Рис.1.1. Схема кристаллической решетки Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются: - размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными. - углы между осями ( ). - координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке. - базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки. - плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно- центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74). Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа; 2  - примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек; - базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях; - объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр; - гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно- центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная Основными типами кристаллических решёток являются: 1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti) 2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au) 3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник: o простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита); o плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк). Из изложенного выше уясним, что характерные признаки металлов обусловлены их внутренним строением, т. е. структурой. Геометрическая правильность расположения атомов в кристаллических решётках придаёт металлам особенности, которых нет у аморфных тел. Первой особенностью металлов является анизотропия свойств кристаллов, т. е. различие свойств кристаллов в разных направлениях. Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, 3 свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны. В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией Второй особенностью металлов как тел кристаллического строения является наличие у них плоскостей скольжения (спайности). По этим плоскостям происходит сдвиг или отрыв (разрушение) частиц кристаллов под действием внешних усилий. У аморфных тел смещение частиц происходит не по определённым плоскостям, а беспорядочно. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную, искривлённую форму. Третьей особенностью металлов как тел кристаллического строения является то, что процесс перехода их из твёрдого состояния в жидкое и наоборот происходит при определённой температуре, называемой температурой плавления (затвердевания). Аморфные тела переходят в жидкое состояние постепенно и не имеют определённой температуры плавления. Дефекты кристаллического строения Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества. Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:  точечные – малые во всех трех измерениях;  линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;  поверхностные – малые в одном измерении. Точеные дефекты 4  Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей. (рис. 1.3.) Рис.1.3. Точечные дефекты Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д. ), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот. Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия. Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях. Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать. Линейные дефекты Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и 5 Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла. Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 1.4) а) б) Рис. 1.4. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б) Неполная плоскость называется экстраплоскостью. Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу. Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 1.5). Рис. 1.5. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации 6  Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная ( ). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются. Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация. Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 1.6) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов. Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая. Рис. 1.6. Механизм образования винтовой дислокации Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают. В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла. Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны 7 либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла. Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки. Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно “захлопывание” их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке. Поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 1.7). Рис. 1.7. Разориентация зерен и блоков в металле Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов ( ). Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов. Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, 8 разориентированные один относительно другого на несколько градусов ( ). Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией. В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса ( ). Такую структуру называют блочной или мозаичной. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций. Методы исследования структуры металлов и сплавов Макроскопический анализ Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру. Строение металлов и сплавов, видимое невооружённым глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы (до 30 раз), называется макроструктурой. Макроструктура изучается путём макроанализа. Так как металлы - вещества непрозрачные, то их строение изучают в изломе или специально приготовленных образцах - макрошлифах. Образец вырезают из определённого места, в определённой плоскости в зависимости от того, что подвергают исследованию - литьё, поковку, штамповку, прокат, сварную или термически обработанную деталь - и что требуется выявить и изучить - первичную кристаллизацию, дефекты, нарушающие сплошность металла, неоднородность структуры…... Поэтому образцы вырезают из одного или нескольких мест слитка, заготовки или детали как в продольном, так и в поперечном направлениях. Поверхность образца (темплета) выравнивают на наждачном круге, затем шлифуют. После шлифования темплет травят в специальных реактивах, которые по- разному растворяют структурные составляющие и растравливают дефекты. Макроанализ шлифов выявляет различные пороки в слитках и отливках (усадочные раковины, газовые пузыри, трещины…); вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико- термической обработкой; расположение волокон в кованных и штампованных заготовках; трещины, возникающие при обработке давлением или термической обработке, дефекты в сварных швах. 9  Микроскопический анализ Более тонким методом исследования структуры и пороков металлов является микроанализ, т. е. изучение структуры металлов при больших увеличениях с помощью металлографического микроскопа. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм. Металлографический микроскоп рассматривает металл в отражённом свете, чем и отличается от биологического микроскопа, где предмет рассматривается в проходящем свете. Значительно большее увеличение можно получить при помощи электронного микроскопа, в котором лучи света заменены потоком электронов (увеличение достигается при этом до 100000 раз). Просвечивающие микроскопы. Поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Различают косвенные и прямые методы исследования. При косвенном методе изучают не сам объект, а его отпечаток – кварцевый или угольный слепок (реплику), отображающую рельеф микрошлифа, для предупреждения вторичного излучения, искажающего картину. При прямом методе изучают тонкие металлические фольги, толщиной до 300 нм, на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла. Растровые микроскопы. Изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже, чем у просвечивающих микроскопов. Для изучении микроструктуры также приготавливаются шлифы -- микрошлифы, но после шлифования дополнительно производится полирование до зеркального блеска, затем производят травление шлифа. Микроанализ позволяет выявить: a. величину, форму и расположение зёрен; b. отдельные структурные составляющие сплава, на основании которых можно определить химический состав отожженных углеродистых сталей; c. качество тепловой обработки, например, глубину проникновения закалки; d. такие дефекты, как пережог, обезуглероживание, наличие неметаллических включений. Рентгеноструктурный анализ и рентгеновская дефектоскопия 10  Рентгеновские лучи имеют ту же природу, что и световые лучи, т. е. представляют собой электромагнитные колебания, но длина их волн другая: световых лучей от 7,5 х10-5 до 4 х10-5 см, рентгеновских - от 2 х10-7 до 10-9 см. Рентгеновские лучи получаются в рентгеновских трубках в результате торможения электронов при их столкновении с поверхностью какого-либо металла. При этом кинетическая энергия электронов превращается в энергию рентгеновских лучей. Рентгеноструктурный анализ основан на способности атомов в кристаллической решётке отражать рентгеновские лучи. Отражённые лучи оставляют на фотопластинке (рентгенограмме) группу пятен или колец. По характеру расположения этих колец (пятен) определяют тип кристаллической решётки, а также расстояние между атомами (положительными ионами) в решётке. Рентгеновское просвечивание основано на способности рентгеновских лучей проникать в глубь тела. Благодаря этому можно, не разрезая металлических изделий, увидеть на рентгеновском снимке различные внутренние дефекты металла: трещины, усадочные раковины, пороки сварки. Методы регистрации пороков в материале основаны на том, что рентгеновские лучи, проходя через металл, частично поглощаются. При этом менее плотные части металлического изделия (участки с пороками) поглощают лучи слабее, чем плотные (сплошной металл). Это приводит к тому, что на рентгеновском снимке участки с пороками будут иметь тёмные или светлые пятна на фоне сплошного металла. Современные рентгеновские аппараты позволяют просвечивать стальные изделия на глубину до 60 – 100 мм. Для выявления дефектов в металлических изделиях большой толщины начали применять гамма-лучи. Природа гамма-лучей аналогична рентгеновским, но длина волны их меньше. Благодаря большой проникающей способности гамма-лучей ими можно просвечивать стальные детали толщиной до 300 мм. Контрольные вопросы. 1. Что называют структурой металлов? 2. В чём различие между макро- и микроструктурой металлов? 3. Какими способами исследуется макроструктура? 4. В чём состоит различие макро- и микрошлифами? 5. Почему металлографические микроскопы работают не на проходящем, а на отражённом свете? 6. Почему отдельные кристаллы анизотропны, а свойства 11 металлических изделий одинаковы во всех направлениях? 7. Какие свойства присущи телам кристаллического строения в отличие от аморфных тел? 8. Какова природа рентгеновских лучей и как они образуются? 9. Как определяется тип кристаллической решётки металла? 10. Какие типы кристаллических решёток вы знаете? 11. Каким из известных вам способов можно обнаружить газовую раковину в стальной отливке на глубине 200 мм, не разрушая заготовки? Формирование структуры литых материалов Сущность процессов кристаллизации металлов и сплавов Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии. С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рис. 1.8. Рис.1.8. Изменение свободной энергии в зависимости от температуры В соответствии с этой схемой выше температуры Т S вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом. При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура ТS – равновесная или теоретическая температура кристаллизации. 12  Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения ( ): Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени). Рассмотрим переход металла из жидкого состояния в твердое. При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое. Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии. Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рис. 1.9. Рис.1.9. Кривая охлаждения чистого металла – теоретическая температура кристаллизации;.– фактическая температура кристаллизации. Процесс кристаллизации чистого металла: до точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением 13 температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии. Механизм и закономерности кристаллизации металлов При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш – устойчивым. Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость – кристалл. Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы представлена на рис. 1.10. Зародыши с размерами равными и большими критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию. Рис.1.10. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы Механизм кристаллизации представлен на рис.1.11. 14  Рис.1.11. Модель процесса кристаллизации Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело. Качественная схема процесса кристаллизации может быть представлена количественно кинетической кривой (рис.1.12). Рис. 1.12. Кинетическая кривая процесса кристаллизации Процесс вначале ускоряется, пока столкновение кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем жидкой фазы, в которой образуются кристаллы уменьшается. После кристаллизации 50 % объема металла, скорость кристаллизации будет замедляться. Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рис. 1.13). 15  Рис. 1.13. Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации. При равновесной температуре кристаллизации ТS число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит. Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей т.а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая). При переохлаждении до температуры соответствующей т.в – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая). Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых. Особенности строения металлического слитка Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.1.14. 16  Рис. 1.14. Схема стального слитка Слиток состоит из трех зон: 1. мелкокристаллическая корковая зона; 2. зона столбчатых кристаллов; 3. внутренняя зона крупных равноосных кристаллов. Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура. Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера. Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты (рис. 1.15). Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода. Рис.1.15. Схема дендрита по Чернову Д.К. Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией. Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией. Для малопластичных металлов и 17 для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка. В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка). Определение химического состава Используются методы количественного анализа. 1. Если не требуется большой точности, то используют спектральный анализ. Спектральный анализ основан на разложении и исследовании спектра электрической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным электродом и исследуемым металлом. Зажигается дуга, луч света через призмы попадает в окуляр для анализа спектра. Цвет и концентрация линий спектра позволяют определить содержание химических элементов. Используются стационарные и переносные стилоскопы. 2. Более точные сведения о составе дает рентгеноспектральный анализ. Проводится на микроанализаторах. Позволяет определить состав фаз сплава, характеристики диффузионной подвижности атомов. Физические методы исследования 1. Термический анализ основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Данный метод позволяет определить критические точки. 2. Дилатометрический метод. При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергииколебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы. Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов. 3. Магнитный анализ. Используется для исследования процессов, связанных с переходом из паромагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов. Понятие о ликвации Слитки сплавов имеют неоднородный состав. Например, в стальных 18 слитках по направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей – серы и фосфора. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства. В реальных слитках помимо зональной встречаются и другие виды ликвации. Дендритная ликвация свойственна сплавам с широким температурным интервалом кристаллизации. Гравитационная ликвация образуется в результате разницы в плотностях твёрдой и жидкой фаз: например, в антифрикционном сплаве олова с сурьмой - твёрдая фаза (кристаллы сурьмы) опускаются на дно слитка, а эвтектика всплывает вверх. Аллотропические превращения железа при нагреве и охлаждении Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом. Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию. Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe). Fe: – ОЦК - ; – ГЦК - ; – ОЦК - ; (высокотемпературное ) Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла. Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз. Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки. Контрольные вопросы. 1. В чём разница между первичной и вторичной кристаллизацией металлов? 2. Что показывают кривые охлаждения и как они строятся? 3. Что характеризует горизонтальный участок на кривой 19 охлаждения простых металлов? 4. Почему на кривых охлаждения аморфных веществ нет горизонтального участка? 5. Каков механизм процесса кристаллизации? 6. При каком строении металлов обеспечивается высокая прочность и сопротивляемость ударным нагрузкам? 7. Как получить мелкозернистое строение металлов и сплавов? 8. Что представляют из себя дендриты? 9. Аллотропия? Полиморфизм? 10. Что такое аморфные металлы? Свойства материалов и методы их испытаний Чтобы правильно выбрать материал для изготовления различных деталей машин и инструментов, необходимо знать свойства материалов. Все свойства металлов и сплавов делятся на физические, химические, механические и технологические. Механические свойства и способы определения их количественных характеристик: твердость, вязкость, усталостная прочность Механическими свойствами называется совокупность свойств, 20 характеризующих способность металлических материалов сопротивляться воздействию внешних усилий (нагрузок). К механическим свойствам можно отнести: прочность, твёрдость, пластичность, упругость, вязкость, хрупкость, усталость, ползучесть и износостойкость. Механические свойства металлов являются основной характеристикой, поэтому на заводах созданы специальные лаборатории, где производятся различные испытания с целью определения этих свойств. Механические испытания делят на: - статические, при которых нагрузка, действующая на образец, остаётся постоянной или возрастает крайне медленно; - динамические (ударные); - испытания при повторных или знакопеременных нагрузках. Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании. Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы. Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости). Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рис. 1.16. Рис. 1.16. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу Твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012) 21  Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.1.16 а) В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия. Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов –. Продолжительность выдержки : для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с. Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля. Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F: Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / , НВ 5/ 250 /30 – 80. Метод Роквелла (ГОСТ 9013) Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 1.16 б) Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный. Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, втечение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой. В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (табл. 1). Таблица 1. Шкалы для определения твердости по Роквеллу 22  Метод Виккерса Твердость определяется по величине отпечатка (рис.1.16 в). В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136o. Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F: Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе. Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои.Высокая точность и чувствительность метода. Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс Влияние температуры С повышением температуры вязкость увеличивается (см. рис. 1.17). 23  Рис. 1.17. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние Предел текучести Sт существенно изменяется с изменением температуры, а сопротивление отрыву Sот не зависит от температуры. При температуре выше Тв предел текучести меньше сопротивления отрыву. При нагружении сначала имеет место пластическое деформирование, а потом – разрушение. Металл находится в вязком состоянии. При температуре ниже Тн сопротивление отрыву меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из вязкого состояния в хрупкое осуществляется в интервале температур Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Способы оценки вязкости Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту (рис. 1.18). На разрушение образца затрачивается работа: где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара. Характеристикой вязкости является ударная вязкость (ан), - удельная работа разрушения. где: F0 - площадь поперечного сечения в месте надреза. ГОСТ 9454 – 78 ударную вязкость обозначает KCV. KCU. KCT. KC – 24 символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. 1.18 в) Рис.1.18. Схема испытания на ударную вязкость: а – схема маятникового копра; б – стандартный образец с надрезом; в – виды концентраторов напряжений; г – зависимость вязкости от температуры Серийные испытания для оценки склонности металла к хладоломкости и определения критических порогов хладоломкости. Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура (ан – Т) (рис. 1.18 г), определяя пороги хладоломкости. Порог хладоломкости - температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации. Оценка вязкости по виду излома При вязком состоянии металла в изломе более 90% волокон, за верхний порог хладоломкости Тв принимается температура, обеспечивающая такое состояние. При хрупком состоянии металла в изломе 10% волокон, за нижний порог хладоломкости Тн принимается температура, обеспечивающая такое состояние. В технике за порог хладоломкости принимают температуру, при которой в изломе 50% вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40oС. Испытания на выностивость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности. 25  Усталость - разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести. Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости. Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рис. 1.19. 1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение 2 – постепенное распространение трецины, гладкая притертая поверхность 3 – окончательное разрушение, зона “долома“, живое сечение уменьшается,а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое Рис 1.19. Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе круглого образца Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“. Схема представлена на рис. 1.20. Рис. 1.20. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б) 26  Основные характеристики Предел выносливости ( – при симметричном изменении нагрузки, – при несимметричном изменении нагрузки) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N. Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время. Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины. Контрольные вопросы 1. Какие свойства металлов относятся к физическим? 2. Какие свойства металлов относятся к химическим? 3. Какие свойства металлов относятся к механическим? 4. Какие свойства металлов относятся к технологическим и что они характеризуют? 5. Что называется твёрдостью металлов? 6. Какая существует связь между твёрдостью металлических материалов и их обрабатываемостью на металлорежущих станках? 7. На чём основан метод Бринелля? 8. На чём основан метод Роквелла? 9. На чём основан метод Виккерса? 10. Что означает твёрдость HRC 70? 11. Как устроен и работает маятниковый копёр? 12. Приведите примеры технологических проб и укажите их назначение. 27 Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов. Связь между составом, строением и свойствами сплавов Понятие о сплавах и методах их получения Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами. Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки. Основные понятия в теории сплавов Система – группа металлов, выделяемых для наблюдения и изучения. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов. Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе. Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз. Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в оистеме Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы (С). Это правило фаз или закон Гиббса Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится где: С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры. 28  Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов. В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы: 1. механические смеси; 2. химические соединения; 3. твердые растворы. Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис. 1.21). В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов. Рис. 1.21. Схема микроструктуры механической смеси Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными. Особенности этих сплавов: 1. Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается АnВm. 2. Образуется специфическая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис. 1.22) 3. Ярко выраженные индивидуальные свойства 4. Постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов. 29  Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами. Рис. 1.22. Кристаллическая решетка химического соединения Характерной особенностью твердых растворов является: наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя. Твердый раствор состоит из однородных зерен (рис. 1.23). Рис.1.23. Схема микроструктуры твердого раствора Классификация сплавов твердых растворов По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы:  с неограниченной растворимостью компонентов;  с ограниченной растворимостью компонентов. При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента. Для образования растворов с неограниченной растворимостью необходимы: 1. изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов; 2. близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %. 3. близость физико-химических свойств подобных по строение 30 валентных оболочек атомов. При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела. При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси. По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы:  замещения;  внедрения;  вычитания. В растворах замещения в кристаллической решетке растворителя часть его атомов замещена атомами растворенного элемента (рис. 1.24 а). Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами. Рис.1.24. Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б) При образовании растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение. Твердые растворы внедрения образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя (рис. 1.24 б). Образование таких растворов, возможно, если атомы растворенного элемента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2-2.5% Твердые растворы вычитания или растворы с дефектной решеткой. 31 образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами, узлов в решетке. К химическому соединению добавляют, один из входящих в формулу элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми. Кристаллизация сплавов Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии. Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе. В сплавах в твердых состояниях, имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры. Эти превращения называют фазовыми превращениями в твердом состоянии. При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации и происходит их рост. Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка имеет наиболее дефектное строение, и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы, в течение некоторого времени, имеются общие плоскости. Такая связь решеток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение протекает с образованием промежуточных фаз. Нарушение когерентности и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут определенные размеры. Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния. Диаграмма состояния Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния люб?