15

Практичне заняття

Тема. Методи вивчення будови металів

Мета. Вивчити методи вивчення будови металів та основні поліморфні перетворення, які відбуваються під час кристалізації.

Студенти повинні знати:

1. значення конструкційних матеріалів в народному господарстві;

2. будову металів і сплавів, їх основні властивості, способи визначення;

3. будову і класифікацію позначення і галузь застосування конструкційних матеріалів.

Студенти повинні вміти:

1. визначати основні механічні властивості металу;

2. визначати по зовнішнім ознакам і деяким відомостям видів металу;

3. оволодіти прийомами виконання макро- та мікроаналізу металів;

4. визначати по структурі зміст вуглецю в сталі.

Обладнання і матеріали. Зразки металів, довідники, таблиці.

Література.

1. Попович В.В., Попович В.В. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство: Підручник. – Львів: Світ, 2006. – с. 82-90

2. Нікіфоров В.М. Технологія металів і конструкційні матеріали. – Київ: Вища школа., 1984. – с. 4-8, 57-62, 73-76

3. Прейс Г.А. Технологія металів і інші конструкційні матеріали. – с. 5-11

Завдання до виконання практичної роботи

1. Ознайомитися з теоретичними відомостями.

2. Дослідити зразки на злом. Для кожного зразка з’ясувати характер злому (крихкий, в’язкий, втомний), величину зерна, однорідність зерна, наявність дефектів (тріщин, раковин тощо).

3. Скласти звіт про роботу. У звіті схематично зобразити зразок і вказати на ньому встановлене в процесі дослідження.

4. .Дані обробки занести в таблицю.

Поряд зазначити:

а) характер злому,

б) величину зерна,

в) однорідність зерна,

г) наявність дефектів.

5. Дати відповідь на контрольні запитання.

6. Скласти звіт виконання практичної роботи в зошит.

Короткі теоретичні відомості поліморфні перетворення

Поліморфним перетворенням називають зміну кристалічної будови залежно від температури та тиску. Перехід до нового типу кристалічної ґратки супроводжується зменшенням вільної енергії кристалів, що утворюються, порівняно з вихідними кристалами. Велике практичне значення має температурний поліморфізм, тобто наявність у металі різної кристалічної будови в інтервалі певних температур. На кривих охолодження поліморфному перетворенню відповідає горизонтальний відрізок сталої температури, завдяки виділенню прихованої теплоти перекристалізації. Близько 30 металів мають два, а іноді й три різні типи елементарних кристалічних комірок. Кристалічну будову, стійку при низьких температурах, позначають грецькою літерою а, при високих температурах — літерою β, при ще вищих — літерою γ і т.д. Перелічені грецькі літери у вигляді індексів долучають до символу хімічного елемента (наприклад, Fe_α, Fe_γ, Ti_α, Ti_β, Sn_α, Sn_β).

Рис. 1. Крива охолодження заліза: t – температура; τ – час охолодження

У рівноважному стані залізо має дві температури поліморфного перетворення: 911 і 1392°С. Воно кристалізується при температурі 1539 °С (рис. 1) з утворенням кристалічної комірки об'ємноцентрованого куба Fe_α. При температурі 1392 °С внаслідок вторинної кристалізації об'ємноцентрована ґратка Fe_α переходить у гранецентровану Fe_γ, а при 911 °С .— знову в об'ємноцентровану ґратку Fe_α. Критична температура 768 °С не пов'язана з вторинною кристалізацією, а лише зі змінами в між-електронній взаємодії, внаслідок чого залізо під час охолодження набуває магнітних властивостей. При температурах, вищих за 768 °С, залізо немагнітне.

Зміна типу кристалічної будови у твердому стані відбувається шляхом зародження центрів нових кристалів і подальшого їх росту. Такий процес іноді називають вторинною кристалізацією на відміну від кристалізації первинної, що відбувається у рідині. Під час вторинної кристалізації зародки нових кристалів найчастіше виникають на границях зерен старих кристалів. Під час росту нових кристалів протягом певного часу зберігається когерентний зв'язок між новою і старою ґратками в площині, де атоми обох ґраток є спільними.

Характерною особливістю вторинної кристалізації є можливість досягти значного переохолодження, внаслідок чого вдається практично призупинити перебудову ґратки завдяки зниженню швидкості самодифузії атомів, необхідної для росту нових кристалів. Збільшуючи переохолодження до граничного значення, можна закріпити термодинамічно нестійкий високотемпературний стан і зберегти його протягом тривалого часу при кімнатній температурі. Поліморфні перетворення супроводжуються стрибкоподібною зміною властивостей металу і лежать в основі зміцнювальних і знеміцнювальних термообробок.

Різновидом поліморфізму є алотропія, тобто здатність одного елемента існувати у вигляді різних простих речовин. Прикладом алотропічного перетворення є перебудова кристалічної ґратки графіту в кристалічну ґратку алмазу при надвисокому тиску і підвищеній температурі.