Раздел I. Металловедение и термическая обработка

Тема 1. Кристаллическое строение

И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.1. Свойства материалов

Свойства материалов зависят от их химического состава и внутреннегостроения (структуры).Методы исследования химического состава и структуры металлов и сплавов:

• микро-, макроскопический анализы структуры с использованием микроскопов разного типа и луп;

• рентгеноструктурный анализ, позволяющий определить межатомные расстояния и тип кристаллической решётки;

• спектральный физический анализ, позволяющий определить содержание различных химических элементов;

• термический анализ, позволяющий определить температуры начала и конца затвердевания или расплавления, температуры перекристаллизации, происходящей в твёрдом состоянии.Для выявления микро- и макротрещин используются различные виды дефектоскопии. Различают рентгеновскую, магнитную и люминисцентную дефектоскопии.Большинство материалов в твёрдом состоянии являются кристаллическими телами, т. е. расположение атомов или молекул в них упорядоченно. Эту упорядоченность принято представлять кристаллической решёткой. Наиболее часто встречающиеся кристаллические решётки металлов представлены на рис.

1.1. Расстояние между центрами соседних атомов измеряется в ангстремах (1А°

= 1⋅10-8 см).

Рис. 1.1. Схемы кристаллических решеток:

а – объемноцентрированная кубическая (ОЦК);

б – гранецентрированная кубическая (ГЦК);

в – гексагональная плотно упакованная (ГПУ)

Кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку имеют Feα,W, Mo, V, Cr, K, Na, Mn. Кубическую гранецентрированную − Feγ, Cu, Ni, Ag,Al, Pt, Ca. Гексагональную плотно упакованную − Mg, Ti, Оs, Ru, Be, Co, La,Y. Как видно, железо при различных температурах может иметь две модификации ОЦК и ГЦК. Изменение типа решётки в процессе нагрева или охлаждения называется полиморфным превращением.Полиморфизм – это способность металлов по достижении определенных температур изменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип кристаллической решётки. Так, ОЦК железо (Feα) будучи нагрето до 911 °С изменяет кристаллическую решетку и становится ГЦК железом Feγ. Это строение сохраняется до 1392 °С, после чего решетка снова перестраивается и приобретает ОЦК строение Feα, сохраняя его вплоть до температуры плавления 1539 °С.В металлах валентные электроны свободно перемещаются по всему объему,обеспечивая высокую электро- и теплопроводность. Наличие свободных электронов в металлах обеспечивает металлический тип связи между положительными ионами, потерявшими валентные электроны, и электронным газом. Эти связи достаточно прочны, но при разрыве легко восстанавливаются. Именно наличие легко восстанавливаемых после разрыва связей обеспечивает у металлов высокие пластические свойства и ковкость.Анизотропия в кристаллах – это неодинаковость свойств кристалла в различных направлениях вследствие упорядоченности внутренней структуры.Анизотропия влияет на показатели прочности, модуль упругости, термический коэффициент расширения, коэффициенты тепло- и электропроводности и пр.

Анизотропия характерна и для поверхностных слоев металла: адсорбционная способность, химическая активность.Реальные конструкционные металлы и сплавы состоят из большого числа различно ориентированных зёрен, т. е. являются поликристаллическими телами. Вследствие осреднения макроскопические объёмы не обладают анизотропией, т. е. имеют квазиизотропные свойства. Однако наличие анизотропии на уровне зерна приводит к концентрации напряжений и деформаций в поликристалле по отдельным частям зерен, неоднородному возникновению пластических деформаций и микроразрушений по структуре сплава. Эти процессы играют решающую роль в процессах разрушения при нагрузках, изменяющихся во времени, которые приводят к так называемому «усталостному» разрушению.

Структурные несовершенства кристаллов (рис. 1.2):1. Точечные: вакансии (отсутствующие атомы), внедрения (дополнительные атомы между основными атомами, расположенными в узлах кристаллической решётки). Около таких дефектов кристаллическая решетка упруго

искажена на расстоянии одного – двух межатомных расстояний.

2. Линейные – дислокации имеют большую протяжённость в одном направлении. Например, на рис. 1.2 полуплоскость FKM «лишняя» и в точке F в направлении 1-2 на расстоянии, равном величине зерна, имеется искажение кристаллической решётки.

3. Поверхностные, обычно располагаются на границах кристаллитов (зерен). Протяжённость этих дефектов в двух направлениях определяется размерами зёрен.

Рис. 1.2. Дефекты кристаллической решетки:

а – точечные; б – линейные; в – плоскостные

Даже относительно небольшая концентрация дефектов кристаллического тела вызывает чрезвычайно большие изменения его физико-химических свойств. Например, тысячные доли примесей к чистым полупроводниковым кристаллам изменяют их электросопротивление в 105 ... 106 раз.