Строение и структура металлов и сплавов

1. Кристаллическое строение металлов.

2. Теория дислокаций.

3. Структура металлов

Кристаллическое строение металлов

Механические свойства сплавов определяются внутренним строением, или структурой сплавов. Структура зависит от химического состава и обработки сплава.

Все металлы и металлические сплавы имеют кристаллическое строение. Атомы металлов и сплавов занимают в пространстве строго определенные места, образуя пространственную кристаллическую решетку. Для описания кристаллической решетки достаточно знать расположение атомов в «элементарной ячейке», повторением которой образуется кристаллическая решетка. Элементарная ячейка по признаку симметрии атомов классифицируется на 7 групп: кубическая, гексагональная, тетрагональная, тригональная, ромбическая, моноклинная, триклинная.

Большинство металлов кристаллизуются в кубической или гексагональной сингонии.

А томы таких металлов как (α)-железо, хром, молибден, вольфрам и др. образуют объемоцентрированный куб (а). У других металлов, к числу которых относятся (β)-железо, алюминий, медь, никель и др., атомы образуют гранецентрированный куб (б). Расположение атомов у магния, цинка, титана и некоторых других металлов соответствует гексагональной решетке (в).

а б в

При переходе металла из жидкого состояния в твердое, первоначально образуются мелкие кристаллики-зародыши или центры кристаллизации. Пока они растут свободно, форма их геометрически правильная, и друг от друга они различаются расположением в пространстве. Металлы состоят из большого числа кристаллов или кристаллитов (зерен), т.е. являются поликристаллическими образованиями. Неправильная форма отдельных зерен связана с процессом образования и роста кристаллов при затвердевании жидкого металла.

Все реальные кристаллические твердые тела имеют большее или меньшее количество дефектов кристаллической структуры, оказывающих влияние на макроскопические свойства твердых тел.

Теория дислокаций

Дислокациями называют линейные несовершенства или одномерные дефекты кристаллических решеток реальных металлов, представляющие собой особые нарушения кристаллического строения, связанные с отклонениями реальных кристаллов от идеального их строения.

Длина дислокации

Ширина дислокации

Перемещения экстраплоскости

Плоскость дислокации

Эстафетное перемещение дислокаций

σ МН/м²

ρ_Dкр ρ_D

Вид дислокаций

Влияние плотности дислокаций на прочность металла

Теория дислокаций объясняет, почему реальная прочность металлов отличается от теоретической. С увеличением плотности дислокаций прочность металла снижается. Достигнув минимального значения при некоторой критической плотности, реальная прочность вновь начинает возрастать. Это объясняется тем, что с повышением плотности дислокаций возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях, которые будут мешать друг другу перемещаться.

Увеличения плотности дислокаций можно достичь с помощью механического наклепа, измельчения зерна, термообработкой, легированием.

Структура металлов

Исследования структуры металлов проводят металлографическими методами с помощью специально приготовленных образцов – макро- или микрошлифов.

Уровень изучения структуры зависит от поставленных целей. По степени увеличения структуры изучаемых образцов различают: макроанализ (не > 30-кратное увеличение) и микроанализ (с помощью оптических металлографических микроскопов).

На макро- и микроструктуру металлов существенное влияние оказывают условия затвердевания и охлаждения сплавов.

Процессы затвердевания и охлаждения сплавов изучают методом термического анализа. В основе этого метода лежит теория, которая заключается в том, что любое превращение в металле (кристаллизация, плавление, затвердевание) сопровождается изменением теплосодержания. Результаты термоанализа представляются в виде кривых нагревания-охлаждения, которые называют термограммами. На этих кривых наблюдаются температурные остановки, перегибы и др. изменения, которые обусловлены различными превращениями в металле. Температурная остановка, соответствующая температуре затвердевании, вызвана выделением (или поглощением) теплоты при кристаллизации металла (или переходом в беспорядочное состояние при расплавлении его). Термограммы позволяют изучить возможные изменения, происходящие в структуре металлов, при охлаждении расплава в определенных точках начинается кристаллизация. В этих точках возникают центры кристаллизации и образуются зародыши с высокодисперсными кристаллическими новообразованиями.

Эти кристаллические группы образуются новые. Кристаллизация идет вдоль определенной оси. Если кристаллизация идет свободно вдоль одной оси, то образовавшиеся в этих условиях кристаллы называют дендритом.

Физико-механические свойства металлов определяются не только природой атомов, но и структурой металла, величиной зерен, кристаллической решеткой. Обычно, чем мельче зерна, тем прочнее металл.

Некоторые металлы, например свинец, на термограмме охлаждения имеют только одну точку температурной остановки.

Для некоторых металлов отмечается несколько температурных критических точек, например для чистого железа установлены 4 критические точки. Это точки, где происходят кристаллические превращения и другие изменения в металле.

Подобные превращения в металлах называются аллотропией или полиморфизмом, а изменения – аллотропическими превращениями.

Сплавы металлов состоят из двух или более металлов или металлов и неметаллических элементов (металлоидов), но с обязательным сохранением присущих металлам свойств.

Для различных модификаций железа характерна различная растворимость в них углерода, например в γ Fe при t 1390ºС растворяется ≈ 2% углерода С, в α Fe при ≈ 700ºС max растворяется 0,02% С.

Физико-механические свойства определяются фазовым составом сплава и соотношением фаз. В сплавах в процессе затвердевания и охлаждения могут образовываться следующие составляющие:

а) Химические соединения. Например, в железе это будет цементит или карбид железа:

3Fe+C=Fe₃C

Элементы здесь содержатся в строгом процентном соотношении.

б) Твердые растворы образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку основного компонента атомов растворяемого компонента. Отсюда твердые растворы могут быть растворами внедрения и замещения, что влияет на степень растворения.

в) механические смеси представляют собой смесь двух или нескольких фаз, например, твердого раствора и химического соединения. Для таких смесей характерно отсутствие растворимости.

Эти структурные составляющие можно наблюдать в определенных условиях в сплавах железа с углеродом.