Состав и строение сплавов и металлов
Обновлено: 28.06.2024
Металлами называют химические элементы, обладающие в твердом состоянии характерными физическими свойствами: высокой тепло-и электропроводностью, пластичностью, отражающей способностью. «Металлы - суть светлые тела, которые ковать можно» (М.В. Ломоносов). К металлам относятся 3/4 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева.
Чистые металлы обладают сравнительно невысокими прочностью и твердостью, поэтому в технике применяются металлические сплавы.
Сплавами называют металлические тела, состоящие из нескольких металлов (иногда неметаллов).
Металлы и сплавы играли и играют важную роль в развитии техники и цивилизации. Например, изготовление бронзы - сплава меди с оловом - открыло новую эпоху в развитии материальной культуры, которая названа «бронзовым веком». Большинство металлов, находящихся в литосфере, образуют различные химические соединения. Вопросами извлечения металлов из природного сырья (руды) занимается металлургия.
Металлы играют важную роль также и в современной технике, при этом используются практически все металлы, встречающиеся в литосфере.
Все металлы и сплавы в твердом состоянии являются кристаллическими телами. Высокие прочность, теплопроводность, электропроводность, пластичность металлов обусловлены характером химической связи. В кристаллической структуре металла некоторая часть электронов слабо связана с атомами и может перемещаться по металлу (свободные электроны). Строение металлов может быть представлено моделью, в которой каркас из положительно заряженных атомов погружен в «электронный газ», который компенсирует силы отталкивания между ионами (металлическая связь).
Все металлы и сплавы на их основе подразделяют на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные. К цветным относят все остальные металлы. Цветные (нежелезные) металлы разделяют на группы в зависимости от физических свойств: легкие (литий, магний), тяжелые (медь, свинец, олово), тугоплавкие (вольфрам, молибден), благородные (золото, платина и др.), рассеянные (галлий, индий и др.), редкоземельные (скандий, лантан и др.), радиоактивные (радий, уран и другие). Лишь немногие металлы содержатся в земной коре в значительном количестве. Кварки металлов (содержание в литосфере в процентах): Al - 8,8 %; Fe - 4,65 %; Mg - 2,1 %; Ti - 0,63 %.
В строительстве применяются сплавы на основе железа (чугун и сталь), а также сплавы на основе меди, алюминия, магния, титана, цинка (бронза, латунь, авиаль, дуралюмин и др.).
Кристаллическая структура металлов
В твердом состоянии металлы и металлические сплавы имеют кристаллическую структуру. Большинство металлов образуют кристаллические структуры: кубическую объемно-центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную. Многие металлы, в зависимости от условий, образуют две и более кристаллических модификации (полиморфных форм). Например, железо образует две кристаллические структуры:
При повышении температуры или охлаждении железа полиморфные переходы происходят в последовательности:
Температуры фазовых переходов определяются методом термического анализа. В расплав вводят термопару и регистрируют изменение температуры при охлаждении или нагревании в системе координат температура - время. Фазовые переходы отражаются на кривых охлаждения (или нагревания) временным замедлением скорости изменения температуры - температурными остановками (рис. 13.1). Рисунок свидетельствует о четырех фазовых переходах при нагревании и охлаждении железа, то есть о полиморфизме железа.
Реальные кристаллические структуры отличаются от идеальных тем, что содержат различные дефекты: точечные (вакансии), одномерные (дислокации), двумерные (поверхностные), дефекты зерен, поверхность раздела фаз.
Металлы и сплавы, которые применяют в технике, являются телами поликристаллическими, то есть состоящими из большого количества монокристаллов. Свойства металлов зависят не только от физических свойств их атомов, но и от микро- и макроструктуры, поэтому механические свойства металлов могут существенно отличаться от свойств отдельных кристаллов этого металла. Изменение и разнообразие свойств металлов и сплавов, применяемых в технике, достигается путем варьирования фазового состава, морфологии отдельных зерен, расположения зерен, строения межфазовых границ.
Как было отмечено, сплавы состоят из нескольких металлов (компонентов сплава). При переходе сплава из жидкого в твердое состояние возможно образование твердых растворов, химических соединений и механических смесей компонентов, содержащихся в расплаве.
Твердые растворы
Твердыми растворами называют сплавы, в которых атомы различных металлов распределены в определенных пределах или неограниченно в общей кристаллической структуре. Растворимость в твердом состоянии характерна для всех кристаллических веществ.
Примесные атомы, или атомы легирующего элемента, могут образовывать с матрицей основного кристалла твердые растворы замещения или твердые растворы внедрения. Твердые растворы замещения образуются теми атомами, которые имеют близкие по размерам радиусы (различие не превышает 15 %). Электрохимические твердые растворы внедрения образуются, когда размеры атомов компонентов существенно различаются и возможно внедрение атомов одного компонента в пустоты между атомами другого компонента. Например, углерод образует с железом твердые растворы внедрения, в которых атомы С, имеющие радиус 0,77 А, размещены между атомами Fe (между узлами кристаллической структуры), атомный радиус которого составляет 1,26 А.
Химические соединения
Образуются путем химического взаимодействия компонентов с появлением нового химического соединения (вещества). Соединение образует новую кристаллическую структуру, отличную от структур исходных металлов, и обладает индивидуальными физическими свойствами.
Механические смеси
Образуются при одновременной кристаллизации из расплава нескольких компонентов (механическая смесь или эвтектика). Эвтектики могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений.
Кристаллизация сплавов, имеющих сложное строение, может идти одновременно по трем названным выше вариантам.
Поведение сплавов при нагревании и охлаждении удобно изучать по диаграммам состояния, которые отражают в обобщенном виде результаты исследования процессов кристаллизации и структурно-фазовых превращений в системе. Диаграммы содержат данные о температурах начала и конца кристаллизации расплава, фазовых превращениях при нагревании и охлаждении и др. Построение диаграмм состояния производится на основании результатов исследований сплавов методами химического, термического, микроскопического и других анализов.
В зависимости от характера протекающих физико-химических процессов различают четыре типа диаграмм состояния двухкомпонентных (бинарных) систем.
Методику построения удобно рассматривать на диаграмме состояния 1-го типа (рис.13.3), когда компоненты бинарной системы неограниченно растворяются в жидком состоянии, не растворяются в твёрдом и образуют механическую смесь кристаллов (эвтектику). Система исследуется методом термического анализа. На графиках, отражающих характер изменения температуры при нагревании и охлаждении бинарной системы, имеются две температурных остановки (рис. 13.2). Первая температурная остановка на графике называется температурой начала кристаллизации (а), вторая - температурой конца кристаллизации (b). Если приготовить смеси с различным содержанием компонентов и выполнить термический анализ, то можно увидеть, что температура начала кристаллизации является величиной переменной, она зависит от концентрации компонентов. Температура конца кристаллизации от состава смеси не зависит. Далее полученные температурные остановки (критические точки) следует перенести на диаграмму состояния бинарной системы 1-го типа. Диаграмма строится в системе координат температура - концентрация компонентов. На диаграмме линии (t1 E) и (Е t2) соответствуют температурам начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), а линия (t3 E) - температуре конца кристаллизации (линия солидуса). Сплав, который кристаллизуется при температуре конца кристаллизации называется эвтектическим сплавом, или эвтектикой, и соответствует точке E на диаграмме.
Выше линии ликвидуса (t1 E t2) сплав находится в жидком состоянии, ниже линии солидуса (t3 E t3) - кристаллический сплав. Слева от точки E кристаллизация начинается с выделения из расплава кристаллов компонента А. В интервале температур сплав состоит из кристаллов компонента А и жидкой фазы. При понижении температуры содержание компонента А в жидкой фазе понижается по кривой (t1 E). Если перенести точку, соответствующую заданной температуре, на линию ликвидуса и далее на ось концентраций, можно определить состав жидкой фазы. Кристаллизация расплава заканчивается в точке E образованием механической смеси (эвтектики), состоящей из кристаллов компонентов А и В. В твердом состоянии сплав имеет неравномерно-зернистую кристаллическую структуру, содержит сравнительно крупные кристаллы компонента А и мелкокристаллическую эвтектику.
Кристаллизация сплава, состав которого находится справа от точки Е, начинается с выделения кристаллов компонента В и заканчивается образованием эвтектики.
Кристаллизация эвтектического сплава, соответствующего точке Е, происходит при минимальной для данной системы температуре.
На диаграмме (рис. 13.3) t1 и t2 - температуры кристаллизации чистых компонентов А и В.
Диаграмма состояния позволяет определить фазовый состав и структуру сплава при заданной температуре.
Если компоненты бинарной системы образуют химическое соединение, устойчивое в рассматриваемом интервале температур, то диаграмму можно считать составленной из двух диаграмм 1-го типа, так как химическое соединение можно рассматривать как независимый компонент (рис. 13.4).
Диаграмма состояния 2-го типа - компоненты обладают полной растворимостью в жидком и твёрдом состоянии (рис. 13.5). На дианрамме t1 и t2 - температуры плавления чистых компонентов A и В. Выше линии ликвидуса (t1 С t2) сплав находится в жидком состоянии, ниже солидуса (t1 D t2) - в твердом. При охлаждении расплава, соответствующего точке К до температуры t3, начинается выделение кристаллов твердого раствора. Состав кристаллов можно определить, если провести линию параллельную оси абсцисс до линии солидуса, состав кристаллов соответствует точке t4. Следовательно, выделяющиеся кристаллы будут содержать повышенное количество компонента с более высокой температурой плавления. При дальнейшем понижении температуры состав жидкой фазы будет изменяться по кривой (t3 С t1), а состав выделяющихся кристаллов по кривой (t4 D t1), то есть из расплава выделяются кристаллы твердого раствора компонента В в компоненте А переменного состава.
Диаграмма состояния 3-го типа - компоненты неограниченно растворяются в жидком состоянии и ограниченно - в твердом (рис. 13.6). Выше линии ликвидуса (t1 E t2) - компоненты находятся в жидком состоянии, ниже линии солидуса (t1 C E D t2) - в твердом. В области II существуют кристаллы твердого раствора компонента В в компоненте А и жидкий сплав; в области III - кристаллы твердого раствора компонента А в компоненте В и жидкий сплав; в области IV - твердые ненасыщенные растворы компонента В в компоненте А и; в области V - твердые ненасыщенные растворы компонента А в компоненте В; в области VI - совместное существование кристаллов твердого насыщенного раствора В в А и эвтектики, смеси кристаллов твердых растворов В в А и А в В; в области VII - совместное существование твердого насыщенного раствора А в В и эвтектики.
Максимальная растворимость компонента В в компоненте А в твердом состоянии соответствует точке С, а компонента А в компоненте В - точке D. С понижением температуры растворимость компонента В в компоненте А понижается по линии (С F), поэтому из твердого раствора выделяется компонент В в виде вторичного твердого раствора компонента В в компоненте А. По линии (D К) выпадает вторичный твердый раствор компонента А в компоненте В. В точке E образуется эвтектика - смесь кристаллов твердых растворов В в А и А в В.
В системе железо — углерод образуется химическое соединение - Fe3C, карбид железа (цементит). Диаграмма состояния железо - цементит широко используется в практике. По диаграмме можно судить о структуре медленно охлажденных сплавов, а также об изменении структуры в зависимости от температуры и содержания углерода в сплаве (рис. 13.7).
Основными структурами и структурными составляющими сплавов в системе Fe - Fe3C являются:
Феррит - твердый раствор углерода в aFe, максимальное содержание углерода при 727 °C - 0,02 %, существует при температуре ниже 911 °C.
Аустенит - твердый раствор углерода в γFe, существует при температуре выше 727 °C; ниже этой температуры распадается на феррит и цементит. Углерод образует твердый раствор внедрения. Максимальная растворимость углерода в γFe - 2,14 % (точка С на диаграмме).
Цементит - карбид железа Fe3C, содержит 6,67 % углерода, обладает высокой твердостью и хрупкостью. При медленном охлаждении сплава распадается с образованием феррита и графита.
Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723 °C и содержании углерода - 0,83 %.
Ледебурит - эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130 °C и содержании углерода 4,3 % (точка Е). Ледебурит твёрд, хрупок, при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит.
Графит - образуется при распаде цементита на феррит и графит. Встречается в серых и ковких чугунах.
Диаграмма состояния Fe — Fe3C (рис. 13.7) более всего похожа на диаграмму 3-го типа (рис. 13.6) для компонентов, обладающих ограниченной растворимостью в твердом состоянии.
На диаграмме состояния Fe — Fe3C точка А соответствует температуре плавления железа и точка В - температуре плавления цементита. (AEB) -линия ликвидуса, в области I - жидкий сплав. (ACED) - линия солидуса. В области III существуют кристаллы первичного цементита и жидкий сплав, в области II - кристаллы аустенита переменного состава и жидкий сплав. По линии (С E D) кристаллизуется эвтектический сплав состава, соответствующего точке E; ледебурит состоит из кристаллов аустенита (твердого раствора углерода в γFe) и кристаллов первичного цемента, содержание углерода - 4,3 %.
При температуре, соответствующей линии солидуса, сплавы можно разделить на три группы:
1. 0-2,0 % С - аустенит, область IV на диаграмме (рис. 13.7).
2. 2,0-4,3 % С - аустенит + ледебурит (эвтектика), область IX.
3. 4,3-6,67 % С - первичный цементит + ледебурит, область X.
Превращения в системе Fe — Fe3C, протекающие при дальнейшем понижении температуры (ниже линии солидуса), обусловлены понижением растворимости углерода в γFe и превращением γFe → aFe.
По линии (G S) из аустенита выделяется aFe (феррит). Феррит выделяется, когда содержание углерода в сплаве не превышает 0,9 %. При более высоком содержании углерода выделяется цементит по линии (S С) (вторичный цементит). В точке S аустенит распадается на смесь мелких кристаллов феррита (αFe) и цементита, которая называется эвтектоидной смесью (эвтектоидом). Структура, соответствующая эвтектоидной смеси, называется перлитом, содержание углерода - 0,83 %.
Сплавы, содержащие до 2 % углерода, называют сталью, сплавы, содержащие от 2 до 6,67 % С, - чугуном. Чугуны и стали обладают различающимися физическими свойствами и областью применения в строительстве.
Состав и строение сплавов и металлов
Сплавы обладают металлическими свойствами и состоят из двух элементов и более. Элементы, входящие в состав сплавов, называют компонентами.
Компоненты сплавов в процессе затвердевания и последующего охлаждения могут образовывать химические соединения, твердые растворы на базе одного из компонентов или нового химического соединения и механические смеси.
Химические соединения, образующиеся на основании общих химических законов (валентности, ионной связи), могут быть выражены химическими индексами. Обычно химические соединения повышают твердость и хрупкость металлов и, как правило, имеют кристаллическую решетку другого типа, чем у каждого из элементов в отдельности.
Твердые растворы – сплавы, у которых атомы растворимого элемента рассеяны в кристаллической решетке растворителя; растворимый элемент может замещать часть атомов основного металла или внедряться между ними, но без образования молекул определенного состава. В железоуглеродистых сплавах Fe–С атомы углерода внедряются в поры решетки Fe. В отличие от химических соединений состав твердых растворов непостоянен и зависит от температуры и концентрации (проникания одного элемента кристаллической решетки в другой). Кристаллическая решетка твердого раствора сохраняет тип решетки одного из компонентов, который по этому признаку считается растворителем.
Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) – микроскопически малые, тесно перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых металлов, твердых растворов и химических соединений. Эвтектики образуются из жидкого сплава при охлаждении и характеризуются самой низкой температурой затвердевания смеси, хорошими литейными качествами и высокими механическими свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого раствора. Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенной концентрации отдельных составляющих и определенной температуре. В сплавах, отличных по составу от эвтектических, при затвердевании в первую очередь выпадает компонент, избыточный по отношению к эвтектическому.
Изменения структуры и свойств сплавов с изменением концентрации и температуры в наглядной форме представлены на диаграммах состояния сплавов. Эти диаграммы не содержат фактора времени и соответствуют условию очень медленного нагрева и охлаждения.
Рис. 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:
а – диаграмма; I – жидкий сплав; II – жилкий сплав и кристаллы аустенита; III – жидкий сплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI – аустенит, цементит, ледебурит; VII – цементит и ледебурит; VIII – феррит и аустенит; IX – феррит и перлит; X – цементит и перлит; XI – перлит, цементит; ледебурит; XII – цементит, ледебурит; б – ориентировочные отношения структурные составляющих в различных областях диаграммы.
Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются следующие.
Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. При температуре 723° С предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует.
Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.
Аустенит – твердый раствор углерода в γ–Fe. Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре, а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. Твердость аустенита НВ 170. 220.
Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Твердость перлита НВ 160. 260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой).
Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.
Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.
На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс – содержание в сплавах углерода до 6,67 % т.е. до такого количества, при котором образуется химическое соединение Fe3C – цементит. Пунктирными линиями нанесена диаграмма состояния для системы железо – графит, так как возможен распад цементита Fe3C.
Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.
Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т. е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах. Критические точки для стали впервые открыл русский ученыйметаллург Д.К. Чернов.
Линия ACD – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), линия AECF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса). Только чистые металлы и эвтектика плавятся и затвердевают при постоянной температуре. Затвердевание всех остальных сплавов происходит постепенно, причем из жидкого сплава сначала выделяется избыточный по отношению к составу эвтектики компонент. Область AESG на диаграмме соответствует аустениту. Линия GS – начало выделения феррита, а линия SE – вторичного цементита. Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.
В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы получают следующие названия:
С увеличением содержания углерода в железоуглеродистых сплавах меняется и структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество феррита. Чем больше углерода в сплавах, тем выше твердость, прочность, но ниже их пластические свойства. Механические свойства сплавов зависят также от формы и размера частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали тем выше, чем тоньше и мельче частицы феррита и цементита.
Структура металлов и сплавов
Металлы и сплавы относятся к поликристаллическим телам, состоящим из мелких (10 -1 -10 -5 см) различно ориентированных кристаллов, называемых кристаллитами или зернами.
Кристаллы, входящие в большинство металлов, образуют высокосимметричные или объемно-гранецентрированные плотноупако-ванные кристаллические решетки.
Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК) характерна для вольфрама, ванадия, хрома, ниобия, гранецентрированная кубическая (ГЦК) - для меди, алюминия, никеля, γ-железа, гексагональная плотноупакованная (ГП) - для магния, цинка, кадмия и других металлов.
В металлах с ГЦК и ГП решетками атомы образуют металлические связи (для таких связей характерно существование положительно заряженных атомов и свободно перемещающихся электронов - “электронного газа”) (рис. 9.2), поэтому они обладают высокой пластичностью и электропроводностью. В металлах с ОЦК решеткой есть доля ковалентных связей, поэтому для них характерны более высокие твердость и температура плавления.
При быстром охлаждении можно получить не кристаллическое, а аморфное твердое состояние металла, для которого характерен только ближний порядок в расположении атомов. Здесь структурными элементами, в отличие от кристаллов, являются атомные конфигурации, которые могут не иметь пространственной симметрии.
Для кристаллической структуры металлов характерны точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты. К точечным дефектам относятся вакансии - свободные узлы кристаллической решетки, межузловые и примесные атомы.
Линейные дефекты кристаллической решетки представлены дислокациями и дисклинациями. Первые характеризуют определенную зону сдвига, вторые - поворот кристаллической решетки (рис. 9.3).
Поверхностные (двумерные) дефекты возникают на границах отдельных кристаллов. Мельчайшие кристаллы, слагающие металлы, ориентированы по-разному, что вызывает на их границах дислокации различного вида. Тонкие слои вблизи поверхности кристалла содержат также повышенное количество точечных и линейных дефектов.
К объемным дефектам относятся скопления вакансий, микрополостей, микротрещин, частиц посторонних включений.
Наличие дефектов кристаллической структуры металлов существенно влияет на их свойства. Например, наличие примесных атомов может повышать прочность, электросопротивление металлов, вызывать их охрупчивание и т.д. Наиболее значительно на свойствах металлов сказываются дислокации. Наличие, в основном, дислокаций в структуре железа снижает его реальную прочность по сравнению с теоретической почти в 100 раз (от 1300 до 150 МПа). В соответствии с дислокационной теорией снижение прочности реальных металлов обусловлено движением дислокаций под действием приложенного напряжения.
Количество дислокаций измеряется их общей протяженностью в единице объема - плотностью дислокаций р. Плотность дислокаций в деформированном металле составляет 10 9 -10 12 см -2 , в отожженном - 10 5 -10 7 см -2 в специально выращенных монокристаллах - до 10 2 -10 3 см -2 .
На рис. 9.3 показано влияние плотности дислокаций на прочность металлов. Точка а соответствует теоретической прочности бездефектных кристаллов. Прочность близкую к теоретической имеют нитевидные кристаллы или “усы”, имеющие толщину, измеряемую микронами. Начало кривой б характеризует прочность отожженных чистых металлов. Деформация, легирование, термообработка увеличивают количество дефектов кристаллического строения, создают различного типа препятствия, тормозящие перемещение дислокаций, и повышают прочность.
Как показывают эксперименты и теоретические расчеты, напряжение пластического течения металлов о возрастает пропорционально корню квадратному из плотности дислокаций:
где σ - напряжение, необходимое для скольжения дислокаций в кристалле; А - константа; G - модуль сдвига металла; b - вектор Бюргерса (количественная характеристика, описывающая искажения кристаллической решетки вокруг дислокации).
Пространственные кристаллические решетки металлов образуются при их переходе из жидкого состояния в твердое. По мере понижения температуры атомы группируются в первичные кристаллы - т.н. центры кристаллизации. Второй стадией кристаллизации является рост кристаллов вокруг центров. С началом кристаллизации падение температуры прекращается (рис. 9.4), что объясняется выделением теплоты в процессе группировки атомов. После затвердения металла температура снова понижается.
С увеличением скорости образования центров кристаллизации и уменьшением скорости их роста уменьшается размер кристаллов и образуется более мелкозернистая структура металла, что положительно сказывается на его вязкости и пластичности.
Величина зерен зависит от количества примесей в расплавленном металле. Для получения мелких зерен в жидкий металл вводят специальные добавки. Такой технологический процесс называют модифицированием. Часто роль модификаторов играют добавки, образующие более тугоплавкие соединения, кристаллизующиеся в первую очередь (модификаторы I рода). Роль модификаторов (модификаторы II рода) могут выполнять также добавки, растворимые в жидком металле и избирательно адсорбирующиеся на кристаллических зародышах.
Каждый металл кристаллизуется при определенной температуре. Для многих металлов характерна способность при различных температурах, существовать в различных кристаллических формах. Это свойство называют полиморфизмом (аллотропией). Например, для железа известны четыре полиморфные модификации α, β, γ и δ, из них практическое значение имеют две - α-Fe и γ-Fe.
При полиморфных превращениях идет перестраивание кристаллической решетки (перекристаллизация), что сопровождается при охлаждении выделением теплоты, а при нагревании ее поглощением. На кривых охлаждения металлов переход расплава в твердое состояние и переход одной полиморфной модификации в другую характеризуется горизонтальным участком (рис. 9.4).
В результате полиморфных превращений имеет место скачкообразное изменение свойств металлов: теплоемкости, теплопроводности, электрической проводимости, прочности и др.
Металлические сплавы можно рассматривать как системы, состоящие из ряда однородных по составу, структуре и свойствам (гомогенных) частей или фаз, ограниченных поверхностями раздела. Основными фазами сплавов могут служить твердые растворы и химические соединения.
Твердые растворы - это твердые фазы, в которых один из компонентов (базовый металл-растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку и в ней распределяются атомы других компонентов. Их концентрация может плавно меняться от нуля до определенной величины, называемой пределом растворимости. В зависимости от характера расположения атомов второго компонента различают твердые растворы замещения и внедрения.
В твердых растворах замещения атомы второго компонента замещают атомы в узлах кристаллической решетки растворителя. Для неограниченной растворимости необходимо соблюдение следующих условий: разница атомных радиусов ΔRатВ твердых растворах внедрения атомы второго компонента находятся в междоузлиях решетки основного металла (рис. 9.5, а), это атомы относительно малых размеров (углерод, азот, кислород, водород).
Существуют также твердые растворы вычитания, которые образуются на базе химических соединений или промежуточных фаз, в решетке которых недостает определенного количества атомов какого-либо из компонентов (рис. 9.5, б).
Химические соединения - это фазы, состоящие из двух или более компонентов и имеющие постоянный стехиометрический состав и решетку, отличную от решеток исходных компонентов. Многие химические соединения, образующиеся в сплавах, в отличие от обычных не подчиняются законам валентности и не имеют постоянного состава. Фазовый состав и структура сплавов зависит от их химического состава, режимов и способов их получения и обработки.
При кристаллизации металлов и сплавов образуется слиток, имеющий обычно дендритное (древовидное) строение (рис. 9.6). Его структура в общем случае состоит из трех зон. I зона образуется в результате появления на стенках формы большого количества мелких, хаотически ориентированных кристаллов. He все они способны в дальнейшем расти, поэтому I зона называется зоной замороженных кристаллов. Благодаря росту отдельных кристаллов, которые ориентированы по отношению к направлению отвода тепла, образуется II зона столбчатых кристаллов или зона транскристаллизации. За время формирования I и II зон центральная часть расплава охлаждается ниже температуры плавления. Ho поскольку отвод тепла здесь затруднен, зарождаются кристаллы, которые растут медленно, и образуется III зона объемной кристаллизации. Чем больше скорость охлаждения, тем больше ширина II зоны. С практической точки зрения, благоприятнее структура зоны I, т.к. зоны II и III делают слиток более хрупким. Для улучшения свойств слитка используют модифицирование.
Металлы и сплавы. Структура металлов и сплавов
Читайте также: