3 Контрольные вопросы

1 Какие исходные материалы применяются при производстве чугуна и стали?

2 Расскажите, как происходит динамический процесс?

3 Какие элементы входят в состав чугуна и стали?

4 Какие примеси в составе чугуна и стали являются вредными?

5 Какие процессы происходят при производстве стали?

6 Сравните между собой разные способы производства стали.

Практическая работа № 2

Атомно-кристаллическое строение металлов

Цель работы: ознакомление с атомно-кристаллическим строением металлов и сплавов, с дефектами кристаллов и их модификацией

1 Атомно-кристаллическое строение металлов

Твердые тела в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации делят на аморфные и кристаллические.

Аморфный металл получается при скоростях охлаждения 10 ... 10 °С/с и более в виде тонких лент или мелких частиц. Атомы при этом не располагаются в правильном порядке, не образуют кристаллов. Аморфное твердое тело является изотропным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная стойкость и другие свойства. Если такое тело нагреть до определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то аморфное состояние его перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру: аморфная основа и образовавшиеся в ней кристаллы.

В кристаллических твердых телах (при меньших скоростях охлаждения) атомы расположены в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы и создавая кристаллическую решетку или воображаемую пространственную сетку. Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях. Это объясняется тем, что число атомов, приходящееся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Чаще всего встречаются три типа: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) кристаллические решетки (рисунок 1) В элементарной ячейке кубической объёмно-центрированной решётки (рисунок 1,а) содержится девять атомов: восемь располагаются по узлам ячейки и один атом - в центре. Такой тип решётки имеют литий, натрий, калий, рубидий, ванадий, молибден, вольфрам, ниобий, тантал, железо и другие металлы.

В элементарной ячейке кубической гранецентрированной решётки (рисунок 1, б) находится четырнадцать атомов, которые расположены в углах и в центре каждой грани. Этот тип решётки имеют свинец, никель, серебро, золото, медь, алюминий, платина, кальций, - железо, церий, - кальций и

др.

В элементарной ячейке гексагональной плотноупакованной решетки (рисунок 1, в) содержится семнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и центрах шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, рений, бериллий, гафний, титан (а-фаза), осмий и др.

Размеры кристаллической решетки характеризуются расстоянием между центрами соседних атомов, находящихся в вершинах элементарных ячеек, называемым параметром или периодом решетки. Кубическую решетку характеризует один параметр — длина ребра куба, а гексагональную — два параметра а и с или их отношение с/а.

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, вызванные нарушением расположения атомов в кристаллической решетке. Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения определенным образом сказываются на свойствах металлов. Дефекты кристаллического строения по геометрическим признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

К точечным дефектам относят вакансии и межузельные атомы. Известно, что атомы находятся в колебательном движении около узлов решетки. Нагревание увеличивает амплитуду этих колебаний. Большинство атомов металла в данной решетке обладает одинаковой энергией (средней), однако отдельные атомы имеют энергию, превосходящую среднюю и могут перемещаться из одного места в другое. Такие атомы, особенно расположенные ближе к поверхности, выходят на поверхность, а их место могут занять атомы, находящиеся дальше от поверхности. Освободившееся место, где находился переместившийся атом, называется вакансией. Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучении и других видах обработки. Вакансии играют важную роль в диффузионных процессах, происходящих в металлах и сплавах.

Межузельные дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетки в межузлие кристаллической решетки. Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки.

Линейные дефекты называются дислокациями. Различают два вида дислокаций – краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой местное искажение кристаллической решетки; винтовая дислокация образуется при неполном сдвиге кристалла по плоскости. Дислокации образуются в процессе кристаллизации, при термической и химико-термической обработках, пластической деформации и других видах воздействий на структуру сплавов. Для дислокации характерна большая подвижность. Это связано с тем, что кристаллическая решетка в зоне нахождения дислокации упруго искажена, а смещенные атомы стремятся переместиться в равновесное положение. На свойства металлов влияет не только плотность дислокаций, но и их расположение в объеме.

Поверхностные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными кристаллами или их блоками. На границах зерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.

Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-кристаллического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов.

Как известно, металлы и сплавы находятся в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Этот вид кристаллизации называется первичной в отличие от вторичной кристаллизации (перекристаллизации), которая имеет место в твердом металле. В чистых металлах твердое состояние переходит в жидкое при температуре плавления, жидкое в газообразное - при температуре -кипения. Температура плавления металлов колеблется от – 39 °С (для ртути, самого легкоплавкого металла) до +3390 °С (для самого тугоплавкого металла вольфрама).

Схема кристаллизации следующая, до тех пор, пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет правильную геометрическую форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и образуются так называемые кристаллиты – зерна. Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше степень охлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства металла (сплава); особенно это сказывается на пластичности. На процесс кристаллизации оказывает влияние ультразвук; модифицирование; введение порошков, частицы которых служат центрами кристаллизации; поверхностно-активные вещества, облегчающие образование зародышей и др.

Строению металлического слитка посвящены работы Д-К. Чернова, А.А.Бочвара, А.П. Гуляева, Н.Т. Гудзона, В.Н. Добаткина, И.Н. Фридляндера и др.

Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный характер. Это связано с тем, что развитие зародышей протекает образом в тех направлениях решётки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются ветви - оси первого порядка. От них начинают расти новые оси второго порядка и т.д.

Полиморфизмом или аллотропией называют способность металлов в твёрдом состоянии при изменении температуры пересматривать свою кристаллическую решётку. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменения свойств металла. Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждой модификации свойственно оставаться устойчивой лишь в пределах определённого для данного интервала температур. При аллотропических превращениях кроме изменения свойств (теплопроводности, электропроводности, механических, магнитных и др.) наблюдают изменения объёма металла и растворимости (например, углерода в железе). Аллотропические превращения свойственным многим металлам (железу, олову, титану и др.).

Железо известно в двух полимерных модификациях. Так, в интервале температур 911... 1392° С железо имеет кубическую гранецентрированную решётку, а в интервале от 0 до 911°С и от 1392 до 1539°С 0 объёмно центрированную решётку. Железо меняет свои магнитные свойства: выше 768°С железо немагнитно, а ниже - магнитно.