Раздел 1. Металловедение.

Тема 1. Строение и кристаллизация металлов.

Вопросы:

1. Классификация металлов.

2. Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решёток.

3. Аллотропические превращения в металлах.

4. Процесс кристаллизации.

5. Термические кривые нагрева и охлаждения металлов.

1. Большое число различных металлов, кото­рые применяют в технике, можно разделить на черные и цветные.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относитель­но высокую твердость и во многих случаях обладают по­лиморфизмом.

Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску; обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления; для них характерно отсутст­вие полиморфизма.

К черным металлам относят железо и его сплавы, к цветным – все остальные металлы и их сплавы.

В зависимости от содер­жания углерода чёрные сплавы делят на стали и чугуны.

Сталями называют сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится до 2,14%, а чугунами – свыше 2,14%.

Цветные металлы подразделяют на тяжелые (медь, свинец, олово, никель и др.), легкие (алюминий, магний и др.), редкие (молибден, вольфрам, ванадий и др.) и благородные (золото, платина, серебро).

2. Все тела состоят из атомов. Тела, в кото­рых атомы расположены беспорядочно, называют аморф­ными (стекло, канифоль, воск, смола и др.). Кристалли­ческие тела (все металлы и метал­лические сплавы), характеризуются упорядоченным рас­положением атомов. В металлах и металлических спла­вах атомы находятся в узлах пространственных кристал­лических решеток.

В процессе кристаллизации металлов и сплавов могут образовываться кристаллические решетки разного типа. Наиболее распространенными являются объемно- центрированная кубическая (К, V, Сr, Fе_α, Мо, W), гранецентрированная кубическая (Аl, Fe_γ, Ni, Сu, Аg, Аu, Рb) и гексагональная решетки (Ве, Мg, Со, Zn, Тi). Гранецентрированная кубическая и гексагональная решетки характеризуются наиболее плотной упаковкой атомов и их компактным размещением (рис.1).

Расстояния между соседними атомами в кристаллической решетке (параметр решётки) исключительно малы. Для их измерения пользуются особой единицей – ангстремом (А°), который ра­вен 1А° = 10^-8 см, или наномет­ром (1 нм = 10^-9 см).

Рис. 1. Расположение атомов в крис­таллических решетках:

а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная

3. Некоторые металлы в твердом состоянии (железо, марганец, кобальт и др.) в зависимости от температуры нагрева могут иметь кристаллические решетки различ­ного строения и, следовательно, обладать различными свойствами. Это явление называется аллотропией, или полиморфизмом. Кроме того, известен полиморфизм под влиянием температуры и давления. При нагреве до 2000 °С и давлении ~ 10¹⁰ Па углерод в форме графита перекристаллизовывается в алмаз.

Аллотропические формы принято обо­значать буквами греческого алфавита: альфа, бета, гамма и т. д.

К металлам, не претерпевающим аллотропических превращений в твердом состоянии при нагревании и охлаждении, относятся алюминий, магний, медь и др. Большое число технически важных металлов (олово, цинк, никель, кобальт и др.) подвержено аллотропиче­ским изменениям.

4. Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твёрдое (первичная кристаллизация), а также перекристаллизация в твёрдом состоянии (вторичная кристаллизация).

Про­цесс кристаллизации металла складывается из двух эле­ментарных процессов: образования центров кристалли­зации (зародышей) и роста кристаллов из этих центров. При температуре кристаллизации в жидком металле сначала образуются центры кристаллизации, причем их роль играют разные примеси, мельчайшие шлаковые и неметаллические включения. После образования заро­дышей атомы жидкого металла, расположенные беспо­рядочно, начинают располагаться вокруг этих зароды­шей и образуют кристаллы правильной геометрической формы. Так как кристаллизация начинается одновремен­но во многих местах и рост кристаллов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, сталкиваясь меж­ду собой, мешают свободному росту каждого. Это при­водит к тому, что кристаллы приобретают неправильную внешнюю форму, несмотря на их упорядоченное внутрен­нее строение. Кристаллы неправильной формы принято называть кристаллитами, полиэдрами, или зернами. Образовавшиеся реальные кристаллы имеют те или иные несовершенства (дефекты) кристал­лического строения, которые принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).

Наиболее распространены точечные. К ним относят вакансии (узлы в кри­сталлической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристалличе­ской решетки), а также примесные атомы, (рис.2).

Рис. 2. Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а – вакансия; б – межузельный атом; в – примесный атом внедрения

5. При наблюдении за охлаждением и нагре­вом чистого металла могут быть построены кривые ох­лаждения и нагревания в координатах температура – время. Горизонтальный участок а кривой соответст­вует температурной остановке – температуре затверде­вания или расплавления чистого металла.

Вследствие поглощения металлом скрытой теплоты плавления температура остается постоянной (t_пл), что отмечено на графике горизонтальным участком кривой нагревания (рис. 3, а). Только после того как металл рас­плавился полностью, его температура повышается по наклонному участку кривой.

Рис. 3. Кривые нагревания и охлаждения чистого металла, аморф­ного тела и сплава:

а – кривая нагревания; б – кривая охлаждения без переохлаждения; в – кривая с переохлаждением; г – кривая с петлей переохлаждения; д – кривая охлаждения аморфного тела; е – кривая охлаждения сплава