Структура и свойства металлов и сплавов

Обновлено: 04.10.2024

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.

Материаловедение по ортопедической стоматологии

♦ Металлами являются вещества, характеризующиеся в обычных условиях высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском, непрозрачностью и другими свойствами, обусловленными наличием в их кристаллической решетке большого количества не связанных с атомными ядрами подвижных электронов проводимости.

В технике металлы принято делить на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные (все остальные).

Свойства металлов объясняются особенностями их строения:

─ расположением и характером движения электронов в атомах;

─ расположением атомов, ионов и молекул в пространстве;

─ размерами, формой и характером кристаллических образований.

Особенности атомного строения определяют характер взаимодействия металлов, способность их давать различного рода соединения, в которые входят несколько металлов, металлы с неметаллами и т.д.

При разных температурах некоторые химические элементы имеют два и более устойчивых типа кристаллических решеток. Существование одного металла в различных кристаллических формах (модификациях) при разных температурах называется полиморфизмом, или аллотропией, а переход из одного строения в другое — полиморфным (аллотропическим) превращением. Аллотропические формы, получающиеся в результате полиморфного превращения, обычно обозначают начальными буквами греческого алфавита.

К таким полиморфным металлам относятся, например, кобальт (Со), олово (Sn), марганец (Mn), железо (Fe). В свою очередь, изменение строения кристаллической решетки вызывает изменение свойств — механических, химических и магнитных, электропроводности, теплопроводности, теплоемкости и др.

К металлам, которые имеют только один тип кристаллической решетки и называются изоморфными, относятся алюминий (Аl), медь (Cu), никель (Ni), хром (Сr), ванадий (W) и др.

Наиболее полную информацию о строении и свойствах металлов получают при использовании комплекса методов исследований:

─ структурных (основаны на макроскопическом, микроскопическом анализах строения металла или сплава и др.);

─ физических (основаны на измерении различных физических свойств: тепловых, магнитных и др.).

Так, например, метод элементного микроанализа изменения поверхности стоматологических сплавов в условиях ротовой полости применяется многими исследователями (Hani Н. et al., 1989).

♦ Металлические сплавы - это макроскопически однородные системы, состоящие из двух или более металлов с характерными металлическими свойствами. В широком смысле сплавами называются любые однородные системы, получаемые сплавлением металлов, неметаллов, оксидов, органических веществ.

Структура и свойства чистых металлов (см. табл. 21) существенно отличаются от структуры и свойств сплавов (см. табл. 22), состоящих из двух и более металлов.

По количеству элементов (компонентов сплава) различают двух-, трех- или многокомпонентные сплавы (см. табл. 19, 28, 31, 35, 38—40).

Образование новых однородных веществ при взаимном проникновении атомов называют фазами сплава.

В расплавленном виде все компоненты обычно находятся в атомарном состоянии, образуя неограниченный жидкий однородный раствор, в любой точке которого химический состав статистически одинаков. При затвердевании расплава атомы компонентов укладываются в порядке кристаллической решетки, образуя твердое кристаллическое вещество — сплав.

Существуют три типа взаимоотношений компонентов сплава:

образование механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, при этом свойства сплава будут усредненными свойствами элементов, которые его образуют;
образование твердого раствора, когда атомы компонентов образуют кристаллическую решетку одного из элементов, являющегося растворителем, при этом тип решетки основного металла сохраняется;
образование химических соединений, когда при кристаллизации разнородные атомы могут соединяться в определенной пропорции с образованием нового типа решетки, отличающейся от решеток металлов сплава. Образование химического соединения — сложный процесс, при котором создается новое вещество с новыми качествами, а решетка при этом имеет более сложное строение. Соединение теряет основное свойство металла — способность к пластической деформации, становится хрупким.

Соответственно этому, свойства сплавов будут зависеть от того, какие фазы в них образуются: твердые растворы, химические соединения или смеси чистых металлов. Если атомные объемы двух металлов и их температуры плавления резко отличаются, то в жидком состоянии такие элементы обладают, как правило, ограниченной растворимостью.

В то же время неограниченную растворимость, или способность образовывать твердые растворы в любых пропорциях, имеют только металлы с кристаллической решеткой одного типа. Металлы, расположенные недалеко друг от Друга в таблице Менделеева (Сu₂₉ и Ni₂₈; Fe₂₆ и Ni₂₈; Fe₂₆ и Cr₂₄; Fe₂₆ и Co₂₇; Co₂₇ и Ni₂₈) или расположенные в одной группе (As₃₃ и Sb₅₁; Au79 и Ag₄₇; Au₇₉ и Cu₂₉; Bi₈₃ и Sb₅₁), имеют неограниченную растворимость.

Таким образом, взаимодействие элементов в сплавах и характер образующейся структуры определяются положением элементов в таблице Менделеева типом кристаллической решетки, размерами атомов, т.е. физической природой элементов.

Зависимость свойств от состава сплавов:

─ в сплавах, имеющих структуру механических смесей, свойства изменяются в основном прямолинейно. Некоторые свойства механических смесей, в первую очередь твердость и прочность, зависят от размеров частиц (от степени дисперсности) и значительно повышаются при измельчении;

─ в сплавах-твердых растворах — свойства изменяются по криволинейной зависимости;

─ при образовании химических соединений свойства изменяются скачкообразно.

Многие физические и механические свойства сплавов четко зависят от структуры, однако некоторые технологические свойства, такие как литейные (способность обеспечить хорошее качество отливки) или свариваемость, зависят не столько от структуры, сколько от того, в каких температурных условиях проходило затвердевание сплавов.

Так, например, стоматологические сплавы золота, отлитые в форму и быстро охлажденные в воде, будут иметь вид твердого раствора, отличающегося характерной мягкостью, ковкостью и меньшей прочностью, чем сплавы с упорядоченным расположением атомов (Копейкин В.Н., 1995). Однако если ту же отливку охлаждать медленно до комнатной температуры, то твердый раствор, превалирующий при температуре более 424°С, полностью переходит в фазу AuCu путем перераспределения атомов в пространственной кристаллической решетке в более упорядоченную структуру. Это приводит к повышению прочности и твердости при потере ковкости сплава. Сплавы с высоким содержанием золота (выше 88%) не образуют упорядоченной фазы.

Поэтому о зависимости механических и физических свойств однофазных сплавов (α и β) говорят следующие положения, известные из курса металловедения:

─ твердость, прочность и электросопротивление твердых растворов выше, чем у чистых металлов;

─ электропроводность и температурный коэффициент электросопротивления у твердых растворов ниже, чем у чистых металлов;

─ электрохимический потенциал при этом изменяется по плавной кривой.

Помимо свойств металлической матрицы, имеющей определенную кристаллическую решетку и тем самым определяющую основные параметры механических свойств, на последние может оказывать влияние дополнительное легирование такими элементами, как молибден, вольфрам, ниобий, углерод, азот и др. Присутствие их в сплавах даже в небольших количествах значительно повышает прочность, износостойкость, жаропрочность и другие свойства, необходимые при эксплуатации конструкций.

Добавка небольших количеств (0,005%) иридия и рутения превращает грубую зернистую структуру сплавов золота в мелкозернистую, что дает возможность улучшить на 30% прочность на растяжение и предел прочности при удлинении, не влияя при этом на твердость и предел текучести. Особенно эффективно увеличивается прочность при легировании кобальтохромовых сплавов 6% молибденом и дополнительно 1—2% ниобия в присутствии 0,3% углерода. В металлических сплавах образуются различные химические соединения между двумя или несколькими металлами (их называют интерметаллидами) так и между металлом и неметаллом (карбиды, оксиды и т.д.).

Наличие неметаллических включений в структуре сплава ведет к образованию усталости, трещин, внутренних пор и полостей, коррозионному растрескиванию отливок, что приводит в конечном счете к разрушению. Неметаллические включения играют существенную роль в процессе вязкого и усталостного разрушения.

Основу неметаллических включений в сплаве Виталлиум составляют марганец и кремний. В кобальтохромовом сплаве (КХС) содержатся включения нитридов титана и силикаты. Приведенные в таблице 27 данные свидетельствуют, что у образца, испытавшего циклическую нагрузку, произошли изменения почти по всем параметрам: значительно уменьшены пределы упругости и текучести прочности, напряжения, разрушения, относительного удлинения и сужения. Это свидетельствует о тенденции к усталости металла.

В результате циклических напряжений металл «устает», прочность его снижается (см. табл. 27) и наступает разрушение образца (протеза). Такое явление называют усталостью, а сопротивление усталости — выносливостью. Разрушение от усталости происходит всегда внезапно вследствие накопления металлом необратимых изменений, которые приводят к возникновению микроскопических трещин — трещин усталости, возникающих в поверхностных зонах образца. При этом чем больше на поверхности царапин, выбоин и других дефектов, вызывающих концентрацию напряжения, тем быстрее образуются трещины усталости.

В связи с усталостью металла появляются микротрещины на границе неметаллических включений, зерен металла, которые в процессе циклической нагрузки увеличиваются, образуя магистральную трещину, приводящую к разрушению металла.

♦ Основной характеристикой, определяемой при испытании на усталость материала, является предел выносливости - наибольшее напряжение, которое может выдержать материал без разрушения при произвольно большом числе перемен (циклов) нагрузки. Максимальное напряжение, не вызывающее разрушения, соответствует пределу выносливости.

Кроме механических испытаний, металлические материалы подвергаются технологическим испытаниям (изгиб, перегиб и др.) с целью определения их пригодности к различным технологическим операциям в процессе использования. Приложение к образцу нагрузки при механическом испытании приводит к деформации (см. с. 11).

Металлы и сплавы. Структура металлов и сплавов

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.

Читайте также: