Розділ 2 Металознав­ство і термічна обробка.

Заняття № 6

Тема 2.1 Будова і кристалізація металів.

ПЛАН: 1 Поняття про науку "Металознавство".

2 Поняття про аморфні та кри­сталічні речовини. Кристалічна будова металів.

3 Типи і параметри кристалічних решіток. Реальна будова металевих кристалів.

4 Точкові, лінійні та поверхневі недосконалості, їх зв'язок з механічними властивостями металів.

5 Кристалізація металів. Критичні точки.

6 Зве­дена енергія для рідкого і твердого металу. Побудова кривих охо­лодження.

7 Поняття про поліморфізм (алотропію).

8 Методи дослідження структури металу: металографічний, рентгено - структурний і спектральний аналіз. Призначення і сутність кожного аналізу. Поняття про електронну мікроскопію. Фізичні методи до­сліджень і контролю якості металів - методи не руйнуючого контр­олю.

Мета заняття учбова: Поняття про аморфні та кри­сталічні речовини. Кристалічна будова металів.

Мета заняття виховна: Реальна будова металевих кристалів.

Самостійна робота № 2

Тема :Основні властивості ме­талів

ПЛАН: 1Поняття об основних механічних властивостях - міцності, твердості, пружності, в'язкості, втомлено­сті, методах їх випробуваній, в зв'язку від умов на­вантаження металу.

2 Методи випробовування твер­дості. Випробовування на міцність і побудову діа­грами розтягу. Випробовування на ударну в'язкість.

Література: (1, с.60…88; 3, с.57…83; 4,с.60…78

1 Матеріалознавство вивчає у взаємозв'язку склад, будову та властивості матеріалів. Воно об'єднує металознавство та науку про неметалеві властивості, вивчає залежність будови і властивос­тей від методів виробництва та обробки матеріалів, а також зміну їх під впливом зовнішніх чинників: силових, теплових (термічних), радіаційних та інших.

Теоретичною основою матеріалознавства є відповідні розділи фізики та хімії. У матеріалознавстві широ­ко використовують сучасні структурні дослідження, фізичні та механічні випробування. Завдяки цьому, а також беручи до уваги економічні розрахунки, можна обґрунтовано визначити доцільність застосування того чи іншого матеріалу в конкрет­них умовах експлуатації. Знання теоретичних засад метало­знавства дає змогу глибше зрозуміти процеси ливарного та зва­рювального виробництв, обробки металів тиском і різанням..

2 У величезному ряду матеріалів, з незапам'ятних часів відомих людині і широко використовуваних їм в своєму житті і діяльності, метали завжди займали особливе місце.

Підтвердження цьому: і в назвах епох (золотий, срібний, бронзовий, залізний століття), на які греки ділили історію людства: і в археологічних знахідках металевих виробів (ковані мідні прикраси, сільськогосподарські знаряддя); і в повсюдному використанні металів і сплавів в сучасній техніці.

Причина цього - в особливих властивостях металів, що вигідно відрізняють їх від інших матеріалів і роблять у багатьох випадках незамінними.

Метали – один з класів конструкційних матеріалів, що характеризується визначеним набором властивостей:

· «металевий блиск» (хороша відбивна здатність);

· пластичність;

· висока теплопровідність;

· висока електропровідність.

Дані властивості обумовлені особливостями будови металів. Згідно теорії металевого стану, металом є речовина, що складається з позитивних ядер, навколо яких по орбіталях обертаються електрони. На останньому рівні число електронів невелике і вони слабо пов'язані з ядром. Ці електрони мають можливість переміщатися по всьому об'єму металу, тобто належати цілій сукупності атомів.

Таким чином, пластичність, теплопровідність і електропровідність забезпечуються наявністю «електронного газу».

Всі метали, що твердіють в нормальних умовах, є кристалічними речовинами, тобто укладання атомів в них характеризується визначеним порядком – періодичністю, як по різних напрямах, так і по різних площинах. Цей порядок визначається поняттям кристалічна решітка(комірка).

Іншими словами, кристалічна решітка це уявні просторові грати, у вузлах якої розташовуються частинки, створюючи тверде тіло.

Кристалічна будова характеризується закономірним, гео­метрично правильним розташуванням атомів (іонів) у просторі.

Атоми (іони) металу перебувають на такій регулярній відстані між собою, при якій енергія взаємодії позитивно і негативно заряджених частинок мінімальна. Якщо через центри атомів кристалу провести лінії, то отримаємо просторову ґратку, а якщо через ряди атомів провести площини, то утвориться безліч одна­кових елементарних геометричних фігур. Виділимо в просторо­вій ґратці кристалу такий об'єм, що дає уявлення про будову всього кристалу і назвемо цей об'єм елементарною кристаліч­ною коміркою.

3 Отже, елементарною кристалічною коміркою називається такий найменший об'єм, який дає нам уявлення про взаємне розташування атомів у всьому кристалі. Переважна більшість металів має одну з перелічених нижче елементарних кристаліч­них комірок: кубічну об'ємноцентровану, кубічну гранецентровану, гексагональну щільноукладену.

Кристалічну комірку зображають вузлами (точками), що відповідають положенню центрів атомів у стані спокою, сполу­чених уявними прямими лініями.

В елементарній кристалічній комірці об'ємноцентрований куб (ОЦК) вісім атомів розташовано на перетині ребер куба (рисунок 1а) і один — на перетині його діагоналей.

Рисунок 1 - Елементарні кристалічні комірки: об'ємноцентрована кубічна (а); гранецентрована кубічна (б); гексагональна щільноукладена (в); а, с — параметри комірки

Названу будову (ОЦК) мають метали: калій, натрій, (β-титан,β-цирконій, тантал, вольфрам, ванадій, α-залізо, хром та інші.

Елементарну кристалічну комірку характеризують: па­раметр, кількість атомів, що припадає на одну елементарну ко­мірку, коефіцієнт компактності та координаційне число.

Параметр кристалічної комірки — величина, яка визначає її лінійні розміри. Очевидно, що для кубічної комірки параметром є довжина ребра куба а, яка вимірюється в нанометрах (нм). Один нанометр 1 нм = 10‾⁹ м. Для металів з кубічною елементар­ною коміркою значення а перебуває в межах 0,2...0,6 нм.

Кількість атомів, що припадає на одну елементарну комір­ку, для випадку об'ємноцентрованого куба можна визначити так. Кожен атом, що розташований на перетині ребер куба, на­лежить одночасно 8 елементарним коміркам. Таких атомів у комірці вісім. Атом, що є в центрі комірки, належить тільки їй. Тому кількість атомів, яка припадає на одну елементарну комірку ОЦК, становить (1/8) ∙8 +1=2.

Коефіцієнт компактності комірки визначають як відношен­ня об'єму, зайнятого атомами в межах куба, до об'єму куба. При розрахунках атоми розглядають як жорсткі кулі, що доти­каються між собою. У випадку об'ємноцентрованого куба це значення дорівнює 0,68.

Координаційне число — це кількість атомів, розташованих на найближчих і однакових відстанях від будь-якого атома в ґратці. Атом А (рисунок 2а), що в центрі куба, перебуває на найближчій і однаковій відстані від атомів 1-8, розташованих на перетині його ребер, тобто координаційне число цієї ґратки дорівнює 8, або К8. Що менше координаційне число, то мен­ший коефіцієнт компактності комірки.

Елементарна кристалічна комірка гранецентрований куб (ГЦК) має вісім атомів на перетині ребер (рисунок 1б) і шість атомів — на перетині діагоналей граней куба. Така будова влас­тива для свинцю, нікелю, срібла, золота, платини, у-заліза та інших металів.

Кількість атомів, що припадає на одну елементарну комір­ку гранецентрованого куба: (1/8) ∙8 + (1/2) ∙6 = 4. У цьому ви­падку число один відповідає атомам, які є на перетині ребер і число три — атомам, які є в центрі граней, оскільки кожен з атомів у центрі граней належить одночасно двом сусіднім коміркам.

Рисунок 2- Координаційне число в різних кристалічних комірках для

атома А: а — об'ємноцентрована кубічна (К8);

б — гранецентрована кубічна (К12);

в — гексагональна щільноукладена (Г12)

Коефіцієнт компактності комірки для ГЦК становить 0,74, координаційне число — К12 (атоми 1...12 (рисунок 2б) є на найменшій і однаковій відстані від атома А, який є в центрі грані, тобто це атоми 1-4, розташовані на перетині ребер куба, атоми 5-8 і 9-12 — в центрі граней сусідніх комірок).

У гексагональній щільноукладеній комірці (ГЩУ) атоми розташовані в кутах (рисунок 1в) і в центрі основ шестигран­ної призми, а три атоми — між її основами. Таку комірку ма­ють магній, α-титан, кадмій, реній, осмій, рутеній, цинк, бери­лій та інші метали.

Параметрами гексагональної щільноукладеноі комірки є її висота с і довжина а грані при с/а = 1,633. На одну елементар­ну гексагональну щільноукладену комірку припадає 6 атомів — два із 12 атомів, що є в кутах основ [(1/6)∙12 = 2], один, що є в центрі двох основ [( 1/2 )∙2 = 1], і три атоми між основами призми.

Коефіцієнт компактності комірки становить 0,74, коор­динаційне число — 12 (Г12). На найменшій і однаковій відстані від атома А (рисунок 2 в), який є в центрі спільної основи сусідніх шестигранних призм, перебувають атоми 1-12. Серед них атоми 1, 2, 6, 7, 8, 12 у вершинах шестикутника і атоми 3,4,5 та 9,10,11 — у середній площині сусідніх призм.

4 Реальні кристали на відміну від ідеальних мають багато різ­них дефектів. Під дефектом розуміють зону кристалу, де порушено правильне розташування атомів. За геометричною ознакою дефекти кристалічної будови поділяють на: точкові, лінійні, поверхневі, об'ємні.

Точкові дефекти (нульвимірні) дуже малі в усіх трьох ви­мірах у просторі: їх розміри не перевищують декількох параме­трів кристалічної комірки. До таких дефектів належать вакан­сії, міжвузлові атоми, атоми домішок тощо.

Рисунок 3 - Точкові дефекти: а — вакансія ; б — міжвузловий атом (•);

в — атом домішки ( ●)

Вакансією називається порожнє місце в кристалі, де мав би перебувати атом. Оскільки атоми коливають­ся навколо положення рівноваги, то окремий атом, наприклад атом 1 з вищою ніж середня енергією, покидає вузол кристаліч­ної ґратки й потрапляє на поверхню кристалу або на границю між зернами. На місці, де перебував атом 1, утворилась вакан­сія , яку заповнює згодом атом 2, а потім атом 3. В результаті відбувається міграція вакансії в глибину кристалу.

Вакансії сприяють перебігу дифузійних про­цесів. Зі збільшенням кількості вакансій зменшуються густи­на, електро- і теплопровідність кристалу.

Міжвузловим називають атом, що вийшов із положення рівноваги і зайняв простір між вузлами (рисунок 3б). Перехід атомів у міжвузлове положення викликає опромінення нейтро­нами, при цьому значно менший вплив мають теплові коливан­ня атомів.

Атоми домішок є навіть у найчистішому металі. Вони або заміщають атоми основного металу у вузлах кристалічної ґратки (рисунок 3в), або розташовуються між вузлами (рисунок 3 б).

Лінійні порушення будови кристалу мають малі розміри в двох вимірах і велику довжину в третьому. Дуже важливими серед лінійних дефектів є крайові та гвинтові дислокації, їх назва походить від латинського слова dislocation, що в перекла­ді означає розміщення.

Крайова дислокація — це лінія АВ (рисунок 4 б) на краю зайвої атомної півплощини АВЕС в кристалі. Одним із способів утворення крайової дислокації є зсув частини атомів кристалу відносно іншої частини атомів на ділянці площини ковзання ABCD (рисунок 4 а) під дією прикладеної сили F.

Внаслідок такого зсуву у верхній частині кристалу маємо на одну атомну площину більше (рисунок 4б), ніж у нижній. Зайва площина АВЕС, яка перпендикулярна до напрямку зсуву, називається екстраплощиною. Вона не має продовження у нижній частині кристалу. Екстраплощина ніби розклинює кристал, зближаю­чи атоми над дислокацією і розсуваючи їх під нею. Тому в невеликій спотвореній зоні — ядрі дислокації — міжатомні відстані менші або більші від нормальних, а поза межами ядра вони нормальні. Крайова дислокація АВ простягається на ба­гато тисяч міжатомних відстаней. Пересування дислокації під дією сили F може відбуватись доти, поки вона не вийде на поверхню кристалу, де утвориться сходинка (рисунок 4 в). Якщо екстраплощина є у верхній частині кристалу, то дислока­ція умовно вважається позитивною і позначається знаком ┴ , а якщо екстраплощина лежить у нижній його частині, то — негативною і позначається ┬ .

Рисунок 4 - Крайова дислокація АВ, яка виникає внаслідок зсуву:

F — прикладена сила

Такий зсув призводить до появи домішкових атомів, що істотно зменшують пластичність металлу.

Скупчення домішкових атомів називається атмосферою Коттрелла.

Спотворення кристалу в ядрі дислокації оцінюють векто­ром Бюргерса.

Кількісною характеристикою дислокаційної структури є гус­тина дислокацій ρ, яка дорівнює відношенню сумарної довжи­ни дислокацій ∑l до об'єму кристалу V:

Густина дислокацій помітно впливає на механічні властивос­ті: з її збільшенням зростає міцність і знижується пластичність металів.

Поверхневі дефекти малі в одному вимірі і значно більші в двох інших. До цих дефектів належать границі зерен, границі фрагментів і блоків.

Конструкційні метали та їх сплави мають полікристалічну будову: вони складаються із безлічі дрібних кристаликів — зе­рен (рисунок 5). Сусідні зерна мають неоднакову орієнтацію кристалічних ґраток (рисунок 5 а). Між зернами існують вузькі перехідні зони шириною до декількох атомних діаметрів — грани­ці зерен із нерегулярним розташуванням атомів ( рисунок 5б).

Рисунок 5 - Схема, що ілюструє різну орієнтацію кристалічних ґраток зерен (а) і границі зерен (б):

На границях концентруються дислокації та домішки. По границях зерен порівняно легко здійснюється дифузія. Границі зерен мають помітний вплив на механічні властивості металів. Що дрібніші зерна, то вища пластичність і міцність металів.

Об'ємними можна вважати локальні нагромадження точко­вих дефектів — вакансій, а також газові порожнини, мікротріщини й неметалеві вкраплення.

5 Будь-яка речовина може перебувати у трьох агрегатних ста­нах: твердому, рідкому або газоподібному. Якщо тиск сталий, то перехід від одного стану до іншого в чистих металах відбува­ється при певній температурі. Наприклад, метал із твердого стану переходить у рідкий при температурі плавлення, а з рідко­го стану — у газоподібний при температурі кипіння. На особли­ву увагу в металознавстві заслуговує кристалізація, оскільки тоді формується та або інша структура.

Кристалізацією називається перехід металу від рідкого до твердого стану з утворенням кристалічної структури. Величи­на, форма й напрям орієнтації кристалів у металевому виробі помітно впливають на його експлуатаційні характеристики. Вивчення закономірностей процесу кристалізації дає змогу на­бути необхідних знань і досвіду, які використовують для оптимізації структури та властивостей металів і їх сплавів.

Розглянемо перехід металу з рідкого стану в твердий.

При нагріві всіх кристалічних тіл спостерігається чітка межа переходу з твердого стану в рідкий. Така ж межа існує при переході з рідкого стану в твердий.

Кристалізація – це процес утворення ділянок кристалічної решітки в рідкій фазі і зростання кристалів з центрів, що утворилися.

Кристалізація протікає в умовах, коли система переходить до термодинамічно стійкішого стану з мінімумом вільної енергії.

Процес переходу металу з рідкого стану в кристалічне можна зобразити кривими в координатах час – температура. Крива охолоджування чистого металу представлена на мал. 3.2.

Рисунок 6 - Крива охолоджування чистого металу

 

– теоретична температура кристалізації;

_. – фактична температура кристалізації.