Структура металлов и сплавов реферат
Обновлено: 04.10.2024
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Материаловедение: металлы и сплавы
Самостоятельная работа №1
«Формирование структуры и методы исследования свойств металлов»
2. Самостоятельная работа № 2
«Диаграмма состояния “железо-цементит”
3. Самостоятельная работа №3
4. Самостоятельная работа № 4
«Термическая обработка металлов и сплавов»
5. Самостоятельная работа № 5
«Сплавы, применяемые в промышленности»
Самостоятельная работа 1
«Формирование структуры и методы исследования свойств металлов»
Вариант задания № 9
Объясните, к какой деформации (холодной или горячей), следует отнести прокатку низкоуглеродистой стали, свинца и вольфрама при комнатной температуре.
Горячая деформация производится при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры. Холодная прокатка производится ниже температуры рекристаллизации, сопровождается упрочнением (наклепом) металла. Прокатка низкоуглеродистой стали, свинца и вольфрама при комнатной температуре следует отнести к холодной деформации.
В цветной металлургии холодная прокатка применяется для получения тонких полос, листов и лент из алюминия и его сплавов, меди и ее сплавов, никеля, титана, цинка, свинца и многих других металлов.
Напишите, каким способом надо измерять твёрдость листовой мягкой стали толщиной 1мм.
Твёрдость в большинстве случаев испытывается при статическом характере вдавливания индентора в виде шарика, конуса или пирамиды в тело исследуемого объекта или царапанием поверхностного слоя пирамидой из твёрдого материала (склерометрический метод).
Для определения твёрдости тонких слоёв или мелких образцов используют прибор “Супер-Роквелл”, отличающийся от обычного прибора “ТК” меньшими нагрузками.
Объясните, когда процесс кристаллизации протекает быстрее – при небольшой, большой и очень большой степени переохлаждения? (ответ обосновать).
Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией.
Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп (температура плавления).
На рис.1. изображены термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации металлов при охлаждении с разной скоростью. При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика (рис.1 кривая ?Т). В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения (кривые ?Т1, ?Т2) число зародышей возрастает в большей мере, чем скорость их роста, и размер зерна в металле уменьшается.
Зерно металла сильно влияет на механические свойства: чем мельче зерно, тем выше вязкость и пластичность.
При увеличении степени переохлаждения скорость образования кристаллов и скорость их роста возрастают, при определенной степени переохлаждения достигают максимума, после чего снижаются.
Самостоятельная работа 2
«Диаграмма состояния “Железо-цементит”»
Построить диаграмму «железо-цементит» с обозначением линий, точек и областей.
Рис..1. Диаграмма состояния железо – цементит
К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %.
Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод.
Железо является полиморфным металлом. При температурах ниже 910° С, железо существует в ? -модификации. Эта аллотропическая модификация железа называется ? -железом. В интервале температур от 910° С до 1392° С существует ? -железо с гранецентрированной кубической решеткой.
Углерод является неметаллическим элементом. В углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. В углеродистых сталях различают следующие фазы (рис.1): жидкий сплав (Ж), твердые растворы -феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц),
Феррит - твердый раствор внедрения углерода в ? -железе. Содержит при нормальной температуре 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость (HB = 790 МПа) и прочность (?6 = 245МПа), высокие пластичность (? = 50%, ? = 85%) и ударная вязкость (KCU = 2940кДж/м 2 ).
Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в ? -железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.
Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fc3C. Содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость (НV = 9800 МПа) и очень низкая пластичность.
Перлит – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита (Ф+Ц). Существует ниже 727° С и содержит 0,8% С.
Определить вид углеродистой стали и белого чугуна по заданному содержанию углерода, отметить эти точки на своей диаграмме.
Линия ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.
Линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (). На линии HJB при постоянной температуре 1499°С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (), в результате чего образуется аустенит.
На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита.
На участке ECF при постоянной температуре 1147 o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного
При 1147°С протекает эвтектическая реакция Lc-AE+Ц.
Жидкость, состав которой соответствует точке С, превращается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита, называемую ледебуритом.
При 727°С протекает эвтектическая реакция A - Фр+Ц.
В отличие от эвтектики, образующейся из жидкости, эвтектоид возникает из твердых фаз. Продукт превращения – эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом.
Внутреннее строение металлов и сплавов Кристаллическое строение металлов
У веществ в твердом состоянии строение кристаллическое или аморфное. В кристаллическом веществе атомы расположены по геометрически правильной схеме и на определенном расстоянии друг от друга, в аморфном же (стекле, канифоли) атомы расположены беспорядочно.
У всех металлов и их сплавов строение кристаллическое. На рис.12показана структура чистого железа. Кристаллические зерна неопределенной формы не похожи на типичные кристаллы - многогранники, поэтому их называюткристаллитами, зернамиили гранулами. Однако строение кристаллитов столь же закономерно, как и у развитых кристаллов.
Рис.12.Микроструктура чистого железа (х - 150)
Виды кристаллических решеток. При затвердевании атомы металлов образуют геометрически правильные системы, называемыекристаллическими решетками. Порядок расположения атомов в решетке может быть различным. Многие важнейшие металлы образуют решетки, простейшие (элементарные) ячейки которых представляют форму центрированного куба (- и- железо, хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец), куба с центрированными гранями (- железо, алюминий, медь, никель, свинец) или гексагональную, как у шестигранной призмы, ячейку (магний, цинк,- титан,- кобальт).
Элементарная ячейкаповторяется непрерывно в трех измерениях, образуя кристаллическую решетку, поэтому положение атомов в элементарной ячейке определяет структуру всего кристалла.
Элементарная ячейка центрированного куба (рис.13) состоит из девяти атомов, из которых восемь расположены по вершинам куба, а девятый — в его центре.
Рис.13. Элементарная ячейкаРис.14. Часть пространственной решет-
центрированного куба ки центрированного куба
Для характеристики кристаллической решетки (атомной структуры кристалла) применяют пространственную решетку, которая является геометрической схемой кристаллической решетки и состоит из точек (узлов), закономерно расположенных в пространств.
Рис.15. Элементарная ячейка кубаРис.16. Часть пространственной ре-
с центрированными гранями шетки куба с центрированными
На рис.14приведена часть пространственной решетки центрированного куба. Здесь взяты восемь смежных элементарных ячеек; узлы, расположенные по вершинам и в центре каждой ячейки, отмечены кружками. Элементарная ячейка куба с центрированными гранями (рис.15) состоит из 14 атомов, из них 8 атомов расположены по вершинам - куба и 6 атомов — по граням.
На рис.16приведена часть пространственной решетки куба с центрированными гранями ( гранецентрированного куба). На схеме имеется восемь элементарных ячеек; узлы расположены по вершинам и по центрам граней каждой ячейки. Гексагональная ячейка (рис.17) состоит из 17 атомов, из них 12 атомов расположены по вершинам шестигранной призмы, 2 атома — в центре оснований и 3 атома — внутри призмы. Для измерения расстояния между атомами кристаллических решеток пользуются специальной единицей, называемойангстремом
Рис.17. Гексагональная ячейка
Параметр решеток (сторона или шестигранника) у меди 3,6 А, а у алюминия 4,05 А, у цинка 2,67 А и т. д.
Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких слоев (оболочек) отрицательно заряженных и движущихся вокруг ядра электронов. Электроны внешних оболочек атомов металлов, называемые валентными, легко отщепляются, быстро движутся между ядрами и называютсясвободными. Вследствие наличия свободных электронов атомы металлов являются положительно заряженными ионами.
Таким образом, в узлах решеток, обозначенных кружками рис.14и16, находятся положительно заряженные ионы. Ионы, однако, не находятся в покое, а непрерывно колеблются положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, что вызывает расширение кристаллов, а при температуре плавления колебания частиц усиливаются настолько, что кристаллическая решетка разрушается.
Во всех кристаллах наблюдаются небольшие отклонения от идеальной решетки — незанятые узлы и различного рода смещения атомов.
Анизотропность и спайность кристаллов. В отдельных кристаллах свойства различны в разных направлениях. Если взять большой кристалл (существуют лабораторные и даже производственные методы выращивания крупных кристаллов) вырезать из него несколько одинаковых по размеру, но различно ориентированных образцов, и испытать их свойства, то иногда наблюдается весьма значительная разница в свойствах между отдельными образцами. Например, при испытании образцов, вырезанных из кристалла меди, относительное удлинение изменялось в пределах от 10 - 50 %, а предел прочности—от 14 до 35 кГ/мм 2 для различных образцов. Это свойство кристаллов называютанизотропностью. Анизотропность кристаллов объясняется особенностями расположения атомов в пространстве.
Следствием анизотропности кристаллов является спайность, которая выявляется при разрушении. В местах излома кристаллов можно наблюдать правильные плоскости, указывающие на смещение частиц под влиянием внешних сил не беспорядочное, а правильными рядами, в определенном направлении, соответственно расположению частиц в кристалле. Эти плоскости называютсяплоскостями спайности.
Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную искривленную, так называемую, раковистую поверхность.
Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят не из одного кристалла, а из множества отдельных кристаллитов, различно ориентированных друг к другу, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы во всех направлениях; это явление называют квазиизотропностью(кажущейся изотропностью).
Аллотропия металлов(или полиморфизм) — их свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагревания или охлаждения. Аллотропию обнаруживают все элементы, меняющие валентность при изменении температуры: например, железо, марганец, никель, олово и др. Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной температуре. Например, одно из превращений железа происходит при температуре 910°С, ниже которой атомы составляют решетку центрированного куба (см.рис.14), а выше — решетку гранецентрированного куба (см.рис.16).
Та или иная структура называется аллотропической формой или модификацией. Различные модификации обозначают греческими буквами , , и т. д., причем буквойобозначают модификацию, существующую при температурах ниже первого аллотропического превращения. Аллотропические превращения сопровождаются отдачей (уменьшением) или поглощением (увеличением) энергии.
Кристаллизация металлов. Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация). Перекристаллизацию из одной модификации в другую при остывании эатвердевшего металла называют (вторичной кристаллизацией). Процесс кристаллизации металла легче всего проследить с помощью счетчика времени и термоэлектрического пирометра, который представляет собой милливольтметр, подключенный к термопаре. Термопару (две разнородные проволоки спаянные концами) погружают в расплавленный металл. Возникающий при этом термоток пропорционален температуре металла и стрелка милливольтметра отклоняется, указывая эту температуру по градуированной шкале.
Показания пирометра автоматически записываются во времени и по полученным данным строят кривые охлаждения в координатах «температура — время» (такие кривые вычерчивает самописец).
Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой.
На рис.18, априведена кривая нагрева металла. Здесь точка а- начало плавления, точкаb — окончание плавления.
Рис.18. Кривые нагревания (а) и охлаждения (б- без петли,
в - с петлей) металла
Участок аbуказывает на неизменность температуры во времени при продолжающемся нагревании. Это показывает, что тепловая энергия затрачивается на внутреннее превращение в металле, в данном случае. на превращение твердого металла в жидкий (скрытая теплота плавления).
Переход из жидкого состояния в твердое при охлаждении сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладитьнесколько ниже температуры плавления. Поэтому площадка на кривой охлаждения (рис.19,6) находится несколько нижеtпл при температуре переохлажденияtпр.
У некоторых металлов переохлаждение (tпл — tпр) может оказаться весьма значительным (например, у сурьмы до 40°С) и при температуре переохлажденияtпр(рис. 18, в) сразу бурно начинается кристаллизация, в результате чего температура скачком повышается почти доtпл. В этом случае на графике вычерчивается петля теплового гистерезиса.
При затвердевании и при аллотропическом превращении в металле вначале возникают зародыши кристалла (центры кристаллизации), вокруг которых группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решетку.
Таким образом, процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов.
У каждого из возникающих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллизации кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкостью. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу и точки их соприкосновения определяют границы кристаллитов (зерен).
Кристаллизация железа. Рассмотрим в качестве примера кристаллизацию и критические точки железа.
Рис.19. Кривые охлаждения и нагревания железа
На рис.19приведены кривые охлаждения и нагревания чистого железа, которое плавится при температуре 1539 0 С. Наличие критических точек при меньших температурах указывает на аллотропические превращения в твердом железе.
Критические точки обозначаются буквой А, при нагревании обозначаютАcи при охлажденииAr индексы 2, 3, 4 служат для отличия аллотропических превращений (индекс 1 обозначает превращение на диаграмме состоянияFe - Fe3C.
При температурах ниже 768 0 С железо магнитно и имеет кристаллическую решетку центрированного куба. Эту модификацию называют-железо ; при нагревании она в точкеАс2переходит в немагнитную модификацию-железо. Кристаллическая структура при этом не меняется.
В точке Ас3при температуре 910 0 С-железо переходит в-железо с кристаллической решеткой гранецентрированного куба.
В точке Ас4при температуре 1401 0 С-железо переходит в-железо, причем кристаллическая решетка вновь перестраивается из гранецентрированного куба в центрированный куб.
При охлаждении происходят те же переходы, только в обратной последовательности.
Из перечисленных превращений наибольшее практическое значение имеют превращения А3 как при нагреве (Ас3), так и при охлаждении (Аr3).
Превращение в точке А3сопровождается изменением объема, так как плотность кристаллической решетки-железа больше плотности решетки-железа, в точкеАс3 объем уменьшается, в точкеAr3 - увеличивается.
Макроструктура металлов
Макроструктура, микроструктура, металловедение, твердость
Макроструктура металла (от макро. и лат. stuctura - строение), строение металла, видимое невооружённым глазом или с помощью лупы, то есть при увеличениях до 25 раз. М. изучают на плоских образцах - темплетах, вырезанных из изделия или заготовки, а также на изломах изделия. Для выявления М. поверхность темплета тщательно шлифуют, затем травят растворами кислот или щелочей. При исследовании М. можно обнаружить нарушения сплошности металла (раковины, рыхлость, газовые пузыри, расслоения, трещины и т.д.), выявить распределение примесей и неметаллических включений, форму и расположение кристаллитов (зёрен) в разных частях изделия, а иногда даже особенности строения отдельных зёрен металла (см. Металлография). Изучение М. позволяет сделать заключение о качестве заготовки и правильности ведения технологического процесса при литье, обработке давлением или сварке изделия. В некоторых случаях качество металла характеризуется видом излома, позволяющим установить, как проходит поверхность разрушения (по телу или по границам зёрен), выяснить причины разрушения и т.д.
Микроструктура металла (от микро. и лат. structura - строение), строение металла, выявляемое с помощью микроскопа (оптического или электронного). Металлы и сплавы состоят из большого числа кристаллов неправильной формы (зёрен), чаще всего неразличимых невооружённым глазом. Зёрна имеют округлую или вытянутую форму, могут быть крупными либо мелкими и располагаться друг относительно друга в определённом порядке или случайно. Форма, размеры и взаимное расположение, а также ориентировка зёрен зависят от условий их образования. Часть микроструктуры металла, имеющая однообразное строение, называемое структурной составляющей (например, избыточные кристаллы, эвтектика, эвтектоид, в частности для железоуглеродистых сплавов аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит, мартенсит). Количественное соотношение структурных составляющих сплава определяется его химическим составом и условиями нагрева и охлаждения.
Металловедение - научная основа изысканий состава, способов изготовления и обработки металлических материалов с разнообразными механическими, физическими и химическими свойствами. Уже народам древнего мира было известно получение металлических сплавов (бронзы и др.), а также повышение твёрдости и прочности стали посредством закалки. Как самостоятельная наука металловедение возникло и оформилось в 19 веке, вначале под названием металлографии. Термин металловедение введён в 20-х гг.20 в. в Германии, причём было предложено сохранить термин "металлография" только для учения о макро - и микроструктуре металлов и сплавов. Во многих странах металловедение по-прежнему обозначают термином "металлография", а также называют "физической металлургией".
Твердость - сопротивление металлов вдавливанию. Твердость металлов не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности, так и от метода измерения. Т. м. характеризуется числом твёрдости. Наиболее часто для измерения Т. м. пользуются методом вдавливания. При этом величина твёрдости равна нагрузке, отнесённой к поверхности отпечатка, или обратно пропорциональна глубине отпечатка при некоторой фиксированной нагрузке. Отпечаток обычно производят шариком из закалённой стали (методы Бринелля, Роквелла), алмазным конусом (метод Роквелла) или алмазной пирамидой (метод Виккерса, измерение микротвёрдости). Реже пользуются динамическими методами измерения, в которых мерой твёрдости является высота отскакивания стального шарика от поверхности изучаемого металла (например, метод Шора) или время затухания колебания маятника, опорой которого является исследуемый металл (метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера). Числа твёрдости указываются в единицах НВ (метод Бринелля), HV (метод Виккерса), HR (метод Роквелла), где Н от английского hardness - твёрдость. Поскольку при определении твёрдости методом Роквелла пользуются как стальным шариком, так и алмазным конусом, часто вводятся дополнительные обозначения - В (шарик), С и А (конус, разные нагрузки). По специальным таблицам или диаграммам можно осуществлять пересчёт чисел твёрдости (например, число твёрдости по Роквеллу можно пересчитать на число твёрдости по Бринеллю). Выбор метода определения твёрдости зависит от исследуемого материала, размеров и формы образца или изделия и др. факторов.
Твёрдость весьма чувствительна к изменению структуры металла. Измерениями микротвёрдости пользуются при изучении механических свойств отдельных зёрен, а также структурных составляющих сложных сплавов.
Для относительной оценки жаропрочности металлических материалов иногда пользуются так называемой длительной твёрдостью (или микротвёрдостью), измерение которой производят при повышенной температуре длительное время (минуты, часы) начертить диаграмму железо – цементит.
Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает диаграмма состояния железо - углерод. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис.1) на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углерода до 6,67%, то есть до такого количества, при котором образуется цементит Fе3С. По диаграмме состояния системы железо - углерод судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства. На диаграмме состояния Fe - Fе3С приняты международные обозначения. Сплошными линиями показана диаграмма состояния железо - цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита), а пунктирными - диаграмма состояния железо - графит (стабильная).
Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой (Fe - С), а железоцементитной (Fe - Fе3С), 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.
Компоненты системы железо и углерод - элементы полиморфные. Основной компонент системы - железо.
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может образовать химическое соединение - цементит Fе3С или присутствовать в сплавах в виде графита.
В системе железо-цементит (Fe - Fе3С) имеются следующие фазы: жидкий раствор. твердые растворы - феррит и аустенит, а также химическое соединение - цементит.
Феррит может иметь две модификации - высоко - и низкотемпературную. Высокотемпературная модификация -Fe и низкотемпературная - -Fe представляют собой твердые растворы углерода, соответственно, в - и - железе.
Диаграмма состояния Fe-C.
Предельное содержание углерода в -Fe при 723°С - 0,02%, а при 20°С - 0,006%. Низкотемпературный феррит -Fe по свойствам близок к чистому железу и имеет довольно низкие механические свойства, например, при 0,06% С:
твердость - 80. 90 НВ.
Аустенит -Fe - твердый раствор углерода в -железе. Предельная растворимость углерода в -железе 2,14%. Он устойчив только при высоких температурах, а с некоторым примесями (Мn, Сг и др.) при обычных (даже низких) температурах. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Твердость аустенита 160. 200 НВ.
Цементит Fе3С - химическое соединение железа с углеродом, содержащее 6,67% углерода. Между атомами железа и углерода в цементите действуют металлическая и ковалентная связи. Температура плавления ~1250°С. Цементит является метастабильной фазой; область его гомогенности очень узкая и на диаграмме состояния он изображается вертикалью. Время его устойчивости уменьшается с повышением температуры: при низких температурах он существует бесконечно долго, а при температурах, превышающих 950°С, за несколько часов распадается на железо и графит. Цементит имеет точку Кюри (210°С) и обладает сравнительно высокими твердостью (800 НВ и выше) и хрупкостью. Прочность его i растяжение очень мала ( =40 МПа).
В системе железо - цементит имеются две тонкие механические смеси фаз - эвтектическая (ледебурит) и эвтектоидная (перлит).
Ледебурит является смесью двух фаз -Fe + Fе3С, образующихся при 1130°С в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом, чугунов. Ледебурит обладает достаточно высокими прочностью (НВ>600) и хрупкостью.
Перлит (до 2,0%С) представляет собой смесь a-Fe + Fе3С (в легированных сталях - карбидов), образующуюся при 723°С и содержании углерода 0,83% в процессе распада аустенита, и наблюдается визуально как структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности частичек цементита (прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого):
Понятие о металлах и сплавах
Из всех известных в настоящее время элементов более половины являются металлами. Металлы — непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью.
Файлы: 1 файл
Курсовая прокатчика.doc
Понятие о металлах и сплавах.
Из всех известных в настоящее время элементов более половины являются металлами. Металлы — непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. По этому признаку металлы легко отличить от других веществ (дерево, стекло и т. д.).
Все металлы и образованные из них сплавы делят на черные (к ним относят железо и сплавы на его основе, на их долю приходится около 95 % производимой в мире металлопродукции) и цветные. В технике принята условная классификация, по которой металлы делят на группы:
- легкие — алюминий (Al),магний (Mg);
- тяжелые — медь (Си), свинец (Рb);
- тугоплавкие — вольфрам (W), молибден (Мо);
- благородные — золото (Аu), платина (Pt);
- рассеянные — гадолиний (Gd), индий (In), таллий (Tl);
- редкоземельные — скандий(Sc), иттрий (Y);
- радиоактивные — радий (Ra), уран (U).
Понятие „чистый металл” весьма условно. Любой чистый металл содержит примеси, а поэтому его следует рассматривать как сплав. Под термином „чистый металл” понимается металл, содержащий 0,010-0,001% примесей. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999%). Однако примеси даже в малых количествах могут оказывать существенное влияние на свойства металла.
Чистые металлы обладают низкой прочностью и не обеспечивают требуемых физико-механических и технологических свойств. Поэтому их применение в технике в качестве конструкционных материалов ограничено. Наиболее широко применяют сплавы, которые обладают по сравнению с чистыми металлами более высокой прочностью и твердостью.
Сплавы — твердые и жидкие вещества — получают сплавлением или спеканием двух или более металлов или металлов с неметаллами. Элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплавы могут состоять из двух или большего числа компонентов. Строение металлического сплава более сложное по сравнению с чистым металлом.
Для рассмотрения строения, превращений и свойств металлов и сплавов введем понятие „фаза” и „структура”.
Фазой называется однородная часть системы (металла или сплава), имеющая границы раздела, при переходе через которые их свойства резко меняются.
Например, жидкий металл является однофазной системой; смесь жидкого металла и твердых кристалликов — двухфазной системой, так как свойства жидкого металла значительно отличаются от свойств твердых кристалликов. Фазами могут быть отдельные металлы, их химические соединения, а также растворы на основе металлов.
Под структурой понимается строение металла, т.е. взаимное расположение различных фаз, форма и размер составляющих их кристаллов.
Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз.
Одна из важнейших задач металловедения — определение связи между структурой и свойствами.
Кристаллические решетки.
В кристаллических веществах, к которым относятся все металлы, находящиеся в твердом состоянии, атомы занимают вполне определенное место, образуя пространственную решетку. Элементарная (наименьшая) ячейка этой решетки у каждого кристаллического вещества имеет свое, строго определенное строение и размеры (параметры). По „узору” и числу атомов в элементарной ячейке различают несколько типов атомных решеток.
У металлов чаще всего наблюдаются решетки следующих типов:
- кубическая объемноцентрированная (α-железо, вольфрам, молибден, β-титан и др.),
- кубическая гранецентрированная (γ-железо, алюминий, золото, медь, серебро, свинец и др.),
- гексагональная (бериллий, кадмий, магний, α-титан, цинк, γ-хром и др.).
Элементарная ячейка объемноцентрированной кубической (о.ц.к.) решетки образована девятью атомами, восемь из которых расположены на вершинах воображаемого куба, а девятый — в его центре (рис. 1,а).
Элементарная ячейка гранецентрированной кубической (г.ц.к.) решетки имеет более плотную упаковку и содержит 14 атомов — восемь расположены на вершине куба и шесть на пересечении диагоналей его граней (рис. 1,б).
Элементарная ячейка гексагональной решетки представляет собой гексаэдр (шестигранную призму), в центре основания которого и вершинах углов расположены атомы; кроме того, три атома находятся внутри гексаэдра. Всего ячейка содержит 17 атомов (рис. 1, в).
В элементарной ячейке кристаллической решетки можно выделить ряд характерных, так называемых кристаллографических плоскостей. В зависимости от ориентации плоскость может пересекать большее или меньшее количество атомов. В кубической о.ц.к. решетке наибольшее число атомов пересекает плоскость, проходящую по диагонали куба (рис. 1,г), в кубической г.ц.к. решетке — через диагонали граней и диагональ куба (рис. 1, д) в гексагональной — через его основание. Последняя плоскость называется базисной плоскостью.
В результате повторений элементарной ячейки в трех измерениях образуется тело кристалла с однообразно ориентированной атомной решеткой. Внешняя форма кристалла или, как его часто называют, монокристалла зависит от строения элементарной ячейки и условий кристаллизации, т.е. от образования кристаллов при переходе из жидкого состояния в твердое.
Кристаллы правильной формы встречаются в природе довольно часто. Они наблюдаются у поваренной соли, кварца, льда (снежинок) и других неметаллических веществ. Монокристаллы металла можно вырастить только искусственно в специальных условиях.
Рис. 1. Основные типы элементарных ячеек, образующих кристаллические решетки металлов, и положение кристаллографических плоскостей, наиболее плотно усеянных атомами.
Если измерить в различных направлениях физические свойства монокристалла, то окажется, что они будут сильно зависеть от выбранного направления, т.е. монокристалл обладает ярко выраженной анизотропией свойств. При испытании образцов, вырезанных из кристалла меди, было обнаружено, что в зависимости от направления их вырезки прочность образцов изменялась от 140 до 350 МПа, а относительное удлинение — в пять раз; изменялись также электро- и теплопроводность и другие свойства. Это объясняется тем, что в зависимости от избранного направления вырезки образцы совпадали с той или иной кристаллографической плоскостью, имеющей разную плотность атомов.
Известно, что атомы твердых тел совершают тепловые колебания. С ростом температуры кристаллического тела амплитуда колебаний атомов возрастает и при температуре плавления настолько увеличивается, что разрушается кристаллическая решетка — металл плавится.
Внешний вид металлического изделия не создает впечатления о металле, как о кристаллическом теле, так как металл, затвердевающий в обычных условиях, превращается не в монокристалл, а в массу, состоящую из большого количества отдельных кристалликов, ориентированных по отношению друг к другу по-разному, называемую поликристаллом. Поэтому физические свойства металла в целом одинаковы во всех направлениях.
В металлах всегда присутствует то или иное количество посторонних примесей. При кристаллизации примеси мешают правильному росту кристаллов, и форма их искажается. Такие кристаллы обычно называют кристаллитами или зернами.
Чтобы увидеть внутреннее строение металла, необходимо тщательно отполировать срез небольшого металлического образца, затем полированную поверхность протравить, т.е. обработать специально подобранными для данного металла химическими растворами. Растворы — смеси кислот или щелочей, взаимодействуя либо с самими кристаллами, либо с межкристаллитным веществом, выявляют структуру металла (рис. 2, а).
Рис. 2. Структура чистого металла и сплавов.
Значительно более сложное строение имеют кристаллиты сплавов двух или нескольких металлов. Температура плавления отдельных металлов неодинакова, поэтому температура плавления смеси зависит от соотношения массы компонентов. При кристаллизации сплавов первыми начинают выпадать из расплава самые тугоплавкие частицы, в состав которых в большинстве своем входят металлы, имеющие наиболее высокую температуру плавления. На первичных частицах нарастают вторичные, менее тугоплавкие и т.д. Кристаллит развивается, как дерево — сначала ствол, затем ветви — все тоньше и тоньше. Поэтому такие кристаллиты называют дендритами (от латинского названия дерева). По мере кристаллизации в твердом состоянии оказывается все больше тугоплавких составляющих сплава, а жидкость, окружающая кристаллиты (межкристаллитное вещество), становится все более легкоплавкой, поэтому она твердеет в последнюю очередь. На (рис. 2, б), представлена микрофотография структуры сплава. Следовательно, межкристаллитное вещество, обволакивающее каждый кристаллит и спаивающее их все в одно целое, кристаллизуется в самую последнюю очередь. При нагревании, наоборот, межкристаллитное вещество плавится в первую очередь, затем, при повышении температуры, начинают переходить в жидкое состояние части кристаллитов в порядке, обратном кристаллизации, т.е., если чистые металлы плавятся при строго определенной температуре, сплавы плавятся в интервале температур.
При сплавлении двух металлов могут быть три характерных случая:
1. Оба металла неограниченно растворяются друг в друге при любых температурах, например медь и никель, золото и серебро. Такие сплавы обладают высокой пластичностью и хорошо обрабатываются давлением в горячем и даже холодном состоянии, но плохо обрабатываются резанием — под резцом образуется длинная вьющаяся стружка, возникают налипы.
2. Металлы растворяются друг в друге в твердом состоянии ограниченно, причем наиболее часто степень растворимости очень сильно зависит от температуры. Например, при постепенном добавлении к меди цинка он сначала целиком растворяется, а по достижении содержания цинка более 40 % образуются совершенно новые кристаллы — с другой решеткой, возникает новая фаза, т.е. сплав становится двухфазным (рис. 2, в). Физико-химические свойства фаз, как правило, весьма различны, имеют разную твердость, пластичность и т.д. У двухфазных сплавов обычно более низкие пластические свойства, чем у однофазных, они хуже обрабатываются давлением, но лучше резанием.
3. Металлы, кроме растворов, образуют химические соединения. Например, в сплаве меди с оловом Cu3Sn химическое соединение выступает как самостоятельный компонент сплава, а его количество зависит от соотношения основных металлов.
Химические соединения, имеют очень высокую твердость, превосходящую твердость основных компонентов в десятки раз. Известны химические соединения, например карбиды вольфрама, молибдена или титана, твердость которых приближается к твердости алмаза. Технологические свойства подобных сплавов зависят от количества интерметаллических включений, а главное — от их формы. Например, включения в виде игл и пластинок способствуют разрушению кристалла при деформации.
Реальная кристаллическая решетка металла не является неподвижной конструкцией. Все составляющие ее частицы находятся в непрерывном движении: движутся оторванные от атомов электроны, обеспечивая межатомную металлическую связь и электрическую проводимость, около своих средних положений совершают колебательные движения атомы; время от времени тот или иной атом при превышении определенного энергетического уровня начинает перемещаться по кристаллу, нарушая правильность кристаллической решетки. Такие нарушения вызывают и "чужеродные" атомы — атомы примесей, которые внедряются в решетку при кристаллизации. Мельчайшие пузырьки газа, трещинки, включения неметаллических примесей ослабляют кристаллическую решетку, делают ее несовершенной, тем самым, изменяя и свойства металлов и сплавов.
Читайте также: