Тема 19 Металлы, кристаллическое строение, его влияние на физико – механические свойства.

Процессы кристаллизации металлов. Влияние кристаллической структуры металлов на их физико – механические свойства. Пути снижения производственных затрат за счет технологических процессов изменения кристаллической решетки.

Кристаллическое строение металлов

Все металлы – тела кристаллические. Кристаллы хаотично ориентированы и называются зернами.

Металлы обладают рядом свойств:

тепло- и электропроводимостью;

положительным температурным коэффициентом, электрическим сопротивлением  30% металлов при t⁰-273⁰C обладают сверхпроводимостью;

термоэлектронной эмиссией;

хорошей отражательной способностью;

повышенной способностью к пластической деформации.

Рис. 12.1. Схема энергии взаимодействия атомов

Атомы в металле располагаются закономерно (в узлах кристаллической решетки), образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует кинематической энергии взаимодействия атомов.

Кристаллические решетки бывают:

• кубические объемно-центрированные;

- кубические гранецентрированные;

• гексагональные.

Рис. 12.2. Кристаллические решетки металлов

Многие металлы, в зависимости от температуры могут существовать в различных кристаллических формах или различных полиморфных модификациях.

Дефекты кристаллической решетки.

Дефекты подразделяются на:

• точечные (нульмерные): вакансии, межузельные атомы;

• линейные (одномерные): краевая дислокация, вызвана сдвигом; винтовая дислокация;

• поверхностные (двумерные): они малы только в одном измерении и представляют собой поверхности раздела между зернами.

Кристаллизация.

1. Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация.

Кристаллизация происходит, когда система переходит к термодинамически, более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббсона (свободной энергией).

Д.К.Чернов установил, что процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Соприкасаясь, кристаллы теряют правильную форму. Формируются зерна.

Рис.12.3. Изменение энергии Гиббсона

σ_Ж, σ_Т – энергия Гиббсона для жидкого и твердого металла;

ΔТ = Т_Н-Т_К,

где Т_К – температура переохлаждения, Т_Н – равновесная температура, при которой могут существовать обе фазы – жидкая и твердая.

Рост зародышей происходит в результате перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам.

2. Размер зерна.

Размер зерна сильно влияет на его механические свойства, которые увеличиваются для металлов с мелким зерном. Зерно тем меньше, чем больше ∆Т. Центром кристаллизации могут быть частицы посторонних примесей. Такое образование зародышей называется гетерогенным.

Модифицирование – использование специально вводимых в жидкость металлических примесей для получения мелкокристаллической структуры.

3. Твердые растворы.

Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента располагаются в решетке первого компонента, изменяя ее размеры.

Эвтектика состоит из 2-х и более фаз, имеющих форму пластинок, равномерно чередующихся между собой, которые образуют колонки.

Разрушение металлов.

Под разрушением понимают процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части.

Разрушение может быть хрупким или вязким. При этом механизм зарождения трещин одинаков.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины весьма велика, для стали может достигать 2,5 км/с.

С точки зрения микроструктуры существуют 2 вида разрушения транскристаллитное и интеркристаллитное.. При транскристаллитном разрушение происходит по зерну. При интеркристаллитном разрушение происходит по границе зерен.

Следует отметить, что с увеличением размера зерна металл изменяет свои физико – механические свойства: возрастает пластичность, снижается прочность и твердость. Это позволяет снизить производственные затраты последующей обработке заготовок.

После изготовления детали за счет термической или химико – термической обработки можно вновь повысить физико – механические свойства. Правильно разработанная технология позволяет снизить себестоимость изделий.