1.3. Строение реальных металлов
Реальные кристаллы имеет дефекты, т.е. отклонения от правильного расположения атомов в решетке металла. Дефекты принято подразделять на точечные, линейные и поверхностные.
Точечные дефекты – вакансии (незанятые места в кристаллической решетке); дислоцированные или междоузельные атомы; примесные атомы.
Линейные дефекты – цепочки вакансий, дислоцированных атомов и дислокации.
Поверхностные дефекты – это границы зерен. Граница зерна – переходная область шириной до 10 атомных расстояний, в которой решетка одного кристалла переходит в решетку другого. В переходном слое нарушена правильность расположения атомов, повышена плотность дислокаций. На границах скапливаются примеси.
Рис.2. Точечные дефекты в кристалле:
а – вакансия; б – дислоцированный атом; в – примесные атомы замещения (большой) и внедрения (маленький).
Рис. 3. Краевая дислокация.
1.4. Кристаллизация металлов.
Кристаллизация (первичная кристаллизация) – это процесс образования кристаллов из жидкости (из жидкой фазы), другими словами, это переход металла из жидкого состояния в твердое. Ход процесса кристаллизации можно проследить по кривым охлаждения (кривые в координатах температура – время). При температуре кристаллизации на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка, связанная с тем, что в процессе кристаллизации выделяется тепло, так называемая скрытая теплота кристаллизации, которая компенсирует отвод тепла. По окончании процесса кристаллизации кривая охлаждения плавно под определенным углом опускается до комнатной температуры. Если в металле в твердом состоянии происходят полиморфные или магнитные превращения, то на кривой охлаждения вновь появляются площадки, связанные с выделением тепла превращения.
1.5. Состав и строение металлических сплавов
Чистые металлы обладают низкой прочностью и не обеспечивают требуемых физико-механических и технологических свойств. По этой причине применение чистых металлов в технике весьма ограниченно. В качестве конструкционных материалов широкое применение получили сплавы.
Сплавом называют сложное вещество, полученное сплавлением или спеканием двух или более простых веществ, называемых компонентами.
(При сплавлении компоненты доводят до плавления, а при спекании их порошки смешивают, прессуют и подвергают давлению при высокой температуре.)
Сплав, полученный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами называют металлическим сплавом. Металлические сплавы по сравнению с чистыми металлами обладают более высокими механическими свойствами, лучшей технологичностью, ценными физическими и химическими свойствами, которые можно изменять в широких пределах, меняя их состав и структуру. Для простоты понимания ограничимся рассмотрением особенностей строения, происходящих превращений и механических свойств двойных (двухкомпонентных) сплавов. Полученные при этом знания и представления послужат основой для понимания структуры, особенностей превращений и полученных физико-химических свойств многокомпонентных сплавов.
Строение металлического сплава более сложное по сравнению с чистым металлом. Для изучения строения сплавов и превращений, протекающих в них, введем понятия «система», «фаза» и «структура». Система – это совокупность всех сплавов, начиная от одного чистого компонента до второго (в двухкомпонентной системе). Например, система золото-серебро подразумевает всю совокупность сплавов, первым из которых будет чистое золото, а последним – чистое серебро. Между ними будут располагаться сплавы с растущей концентрацией серебра от 0% до 100%. Фаза – однородная часть системы (сплава), отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав и структура и свойства меняются скачком. Сплав, состоящий из двух компонентов, может быть однофазным или двухфазным. Структура сплава - это взаимное расположение различных фаз, форма и размеры составляющих их кристаллитов (зерен). Структура сплава зависит от особенностей его кристаллизации (как первичной, т.е. из жидкого состояния, так и вторичной, т.е. превращениях, протекающих в твердом состоянии). Структуру сплава изучают в металлографическом микроскопе. В двухкомпонентном сплаве структура также может быть однофазной или двухфазной. Структура подразумевает и наличие структурных составляющих. Структурная составляющая - это обособленная часть структуры с присущими ей характерными особенностями. (При образовании одной фазы структура и структурная составляющая являются синонимами.) Часто количество фаз может быть не равным количеству структурных составляющих, одна структурная составляющая может быть комбинацией фаз. Например, двухкомпонентная система железо - углерод, рассматривает (в числе прочих) сплавы, содержащие менее 2% углерода, которые называются сталями. Все стали данной системы имеют один и тот же фазовый состав (феррит и цементит), но в зависимости от количества углерода - различную структуру (с определенными структурными составляющими) и, соответственно, различные механические свойства.
В зависимости от размера атомов компонентов, их атомного строения, структуры их кристаллической решетки компоненты сплава при кристаллизации могут образовать различные фазы: твердые растворы, химические соединения и механические смеси.
Твердый раствор - это фаза, которая образуется, если возможна растворимость в твердом состоянии, т.е. существует возможность одного компонента размещаться в решетке другого. При этом один компонент сохраняет присущую ему кристаллическую решетку и называется растворителем, а второй компонент, утратив свое строение, в виде отдельных атомов распределяется в решетке растворителя и называется растворимым. Атомы растворенного компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно. По расположению атомов растворимого компонента в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.
Твердые растворы замещения – это растворы, которые образуются путем замещения атомов растворителя в любых узлах его решетки атомами растворенного компонента (атом В на рис.4а). Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченной и ограниченной. В сплавах с неограниченной растворимостью при увеличении концентрации растворяемого компонента количество замещаемых атомов в кристаллической решетке растворителя может расти (от 0 до 100%), т.е. до тех пор, пока не будут замещены все атомы. Таким образом, произойдет как бы плавный переход от одного элемента к другому. Образование неограниченных твердых растворов в большинстве случаев происходит при одинаковом типе кристаллических решеток (как говорят, их изоморфности) и при небольшой разности атомных радиусов компонента растворителя и растворенного компонента (для сплавов на основе железа разность не должна превышать 9%, а для сплавов на основе меди-15%). Компоненты, не отвечающие перечисленным условиям, могут образовывать ограниченные твердые растворы. Например, растворимость цинка в латунях (сплавах меди с цинком) не превышает 39%.
Твердые растворы внедрения – это растворы, в которых атомы растворенного компонента размещаются в междоузлиях (порах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы размещаются не в любой поре, а наибольшей. В ГЦК – решетке атом растворенного элемента внедрится в пору, находящуюся в центре элементарной ячейки растворителя (атом В на рис.4б). В ОЦК – решетке наибольшая пора находится в центре грани между двумя соседними ячейками. Твердые растворы внедрения образуются на базе переходных металлов (Fe, Co, Mn, Ti, Mo,W, Zr, V и др.), в которых растворяются неметаллы с малыми атомными диаметрами (C,H, O, N). Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченными. Например, растворимость углерода в ОЦК-железе (феррите) не превышает 0,02%, а растворимость углерода в ГЦК-железе – 2,14%.
Поскольку размеры растворенных атомов отличаются от размеров атомов растворителя, образование твердого раствора сопровождается искажением кристаллической решетки растворителя.
Рис.4. Твердые растворы:
а - замещения;
б - внедрения
Химическое соединение - это фаза, образуется при химическом взаимодействии между компонентами. В отличие от растворов, в которых свойства меняются плавно, при образовании химического соединения все свойства меняются скачком (физические, химические, механические), образуется новая кристаллическая решетка с упорядоченным расположением и определенным количеством атомов. Химические соединения образуются между элементами, имеющими большое различие по свому строению и свойствам. Химическому соединению присуще стехиометрическое соотношение, т.е. его можно изобразить химической формулой (например, химическое соединение цементит – это карбид железа Fe3 C).
Если компоненты не образуют твердых растворов, не вступают в химическую реакцию, то в результате кристаллизации образуется механическая смесь фаз. При этом структура сплава представляет собой зерна одной фазы и зерна другой. Это случается, когда оба компонента имеют различные по типу кристаллические решетки, существенно различаются по величине радиусов атомов или по температуре плавления. Механическая смесь может состоять из чистых компонентов, из твердых растворов, или из смеси твердого раствора и химического соединения.