2. Структурообразование металлов и обжиговых материалов. Их краткая характеристика а. Структурообразование металлов

Металлические материалы являются наиболее распространенным и ос­новным видом конструкционных материалов, применяемых во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в строительстве.

К металлам относятся ³Л всех существующих в природе элементов.

Глубокое знание процессов структурообразования и влияния химических элементов на свойства металлов и сплавов позволяет наиболее рационально ис­пользовать их в различных областях строительства (в дорожном и мостострое­нии, жилищно-гражданском строительстве, машиностроении и т.д.).

Общие сведения

Металлами называют вещества, обладающие своеобразным металлическим блеском, пластичностью, высокой прочностью, электро- и теплопроводностью, ковкостью и свариваемостью, что обусловлено особой природой металлической связи. У металлов своеобразные не только физические, но и химические свойства: способность к окислению и восстановлению в реакциях.

Большинство химических элементов (82 из 109- 75%) относится к металлам.

Свойства сплавов обычно резко отличаются от свойств исходных металлов и их можно регулировать.

Содержание химических элементов в земной коре колеблется в больших пределах. Наиболее распространенными и ценными являются:

- алюминий – 9%

- железо – 55

- магний – 2%

- метан – 0,655

Содержание остальных металлов составляет около 2%. Ряд металлов (цинк, олово, свинец, кобальт, вольфрам, молибден, ванадий) содержатся в тысячных долях процента, но имеют большое значение для получения высококачественных сплавов.

Характерная особенность строения металлов – наличие металлической связи между атомами. Атомы металлов на внешней оболочке содержат небольшое количество слабосвязанных электронов. Электронные облака атомов перекрываются, поэтому внешние электроны могут свободно перемещаться и являются как бы общими, не связанными с отдельными атомами. Таким образом, общие электроны образуют электронный газ, который свободно перемещается между ионами и скрепляет их друг с другом. Эта особенность определяет стремление атомов металла располагаться как можно плотнее. Компактная упаковка атомов приводит к повышенной плотности металлов.

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, которое характеризуется определенным, закономерным расположением атомов. Атомы в кристалле металла образуют пространственно кристаллическую решетку, состоящую из многократно повторяющихся ячеек, имеющих относительно простую форму.

В промышленных металлах наиболее распространены следующие кри­сталлические решетки (рис. 1): кубическая объемно-центрированная, кубиче­ская гранецентрированная и гексагональная. В элементарной кубической объ­емно-центрированной решетке находится девять атомов (восемь в вершинах куба и один в центре).

Такую решетку имеют: железо при температуре до 910 °С и выше 1390 °С, хром, вольфрам, ванадий и др. В кубической гранецентрированной ре­шетке 14 атомов (восемь в вершинах куба и по одному в центре каждой гра­ни). Такую решетку имеют: железо при температуре 910-1390 °С, медь, никель, алюминий и др. В гексагональной решетке, имеющей форму шестигранной призмы, 17 атомов (12 в вершинах, два в центре оснований и три внутри приз­мы). Данная решетка имеется у магния, цинка и других металлов.

Возможны и другие формы кристаллических решеток. Атомы в решетке находятся на определенных расстояниях один от другого. Эти расстояния очень малы и вычисляются в нанометрах (1 нм = 10" м). Расположение атомов, меж­атомные расстояния, насыщенность атомами - все это влияет на качество ме­таллов.

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами (пе­риодами) — расстояниями между центрами атомов, расположенных в узлах эле­ментарной ячейки. Например, для железа эти параметры равны 28,4-36,3 нм.

Рис. 1. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток металлов а - объемно-центрированная кубическая; б - гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

При этом плотность и степень упаковки атомов кристаллической решетки характеризуется отношением бесчисленного множества кристаллических обра­зований, группирующихся в виде отдельных прочно связанных между собой зерен. Большинство их имеет кубическую объемно-центрированную (хром, ванадий, молибден, вольфрам и некоторые другие) и кубическую гранецентриро-ванную решетки (алюминий, медь, никель, свинец, золото и серебро). Железо может быть в нескольких кристаллических формах с различным расположе-нием атомов. Это явление называется аллотропией. Аллотропические пре­вращения железа наблюдаются при изменении температуры. Железо из рас­плавленной массы кристаллизуется в форме решетки объемно центрированного куба (рис. 1, 1) - δ – модификация железа; при охлаждении до температуры 1390 °С она перекристаллизовывается в решетку гранецентрированного куба (рис. 1, 2) - γ - модификация железа, а при 898 °С снова образует решетку объемно цен­трированного куба β и α-модификации. Аллотропия железа имеет большое значение в процессах горячей механической и термической обработки чугуна и стали. Главную роль при этом играют α- и γ-модификации железа. Регулируя закалкой , отжигом и другими способами содержание этих модификаций в ста­лях, придают им заданные механические свойства.

Кристаллическая природа металлов обуславливает анизотропию их свойств, т.е. различие свойств металлов в зависимости от направления кристал­лографических осей, образующих кристаллы металлов.

Процесс перегруппировки атомов в кристаллографической решетке про­исходит в твердом состоянии металла подобно процессу затвердевания жидкого сплава при определенных- температурах и сопровождается тепловым эф­фектом. Этот процесс образования новых кристаллов из кристаллов прежней модификации называется вторичной кристаллизацией.

Металлические сплавы, представляющие собой поликристаллические те­ла, в которых кристаллиты (кристаллические образования, которые при пра­вильном внутреннем строении не сохранили в процессе роста правильную форму кристалла вследствие помех соседних кристаллов) различно ориентиро­ваны один относительного другого, обладают мнимой изотропностью (квазии-зотропны). Однако в результате технологической обработки сплава (прокатки, волочения, ковки и т.д.) происходит ориентировка кристаллов по направлению обработки, и металл становится анизотропным. Некоторые механические свойства металлических сплавов при технологической и термической обработках повышаются в направлении главных кристаллографических осей. Этим часто пользуются при изготовлении некоторых деталей машин и металлических строительных изделий.

Процесс кристаллизации металлических сплавов начинается при охлаждении жидкого сплава и продолжается у многих сплавов до определенных температур в отвердевшем состоянии в виде перекристаллизации. На размер и форму образующихся кристаллов влияет скорость охлажде­ния жидкого сплава: при медленном охлаждении образуются крупные зерна, а при быстром - металлический сплав приобретает мелкозернистое строение.

В настоящее время измельчение зерна металла достигается не только за счет увеличения скорости охлаждения, но и за счет введения различных присадок, увеличивающих число центров кристаллизации при V=const и создающих условия для замедленного роста кристаллов. Этот метод измельчения зерна называется модифицированием и применяется при выплавке специальных чугунов, сталей и некоторых цветных металлов.

Основными способами модифицирования структуры и свойств стали применяемыми в современной металлургии, являются:

- введением в расплавленный металл веществ образующих тугоплавкие соединения, являющиеся центрами кристаллизации (Ti, Al, Si, Mn);

- введение лигирующих элементов, повышающих прочность кристаллических решоток феррита и ацетенита, замедляющих диффузионные процессы выделения углерода, карбидов и движение дислокаций;

- термическая и пормомеханическая обработка.

При затвердевании металлических слитков, болванок, заготовок образу­ются различные по крупности кристаллы: более мелкие у наружной поверхно­сти, а более крупные внутри слитка. Кроме того, кристаллы ориентированны различно: внутри слитка они имеют более правильные формы, чем в наружных слоях, а чаще всего приобретают разветвленную древовидную форму. Такие скопления кристаллов в слитках называются дендритами. Возможно также об­разование кристаллов пластинчатой, игольчатой и других форм.

Затвердевание слитка по всему объему происходит не одновременно, по­этому и строение слитка неоднородно. В верхней части, у поверхности слитка, затвердевающего в первую очередь, образуются усадочные раковины, окру­женные макро и микропорами.

При ускоренном охлаждении сплава внутри отливки могут образоваться полости - газовые пузыри - за счет газов, не успевших удалиться из металлов.

Подобная неоднородность отливок может привести к снижению их механиче­ских свойств.

Соответствующей механической обработкой отливки (давлением, про­каткой) с последующей термической обработкой можно придать волок­нистое строение в направлении обработки и уменьшить размер зерен, что улучшает его механические свойства. В жидком состоянии большинство сплавов представляет собой однородный жидкий раствор. При переходе в твердое состояние однородность многих сплавов сохраняется за счет внедрения или замещения атомов в кристаллогра­фической решетке растворителя атомами других более легких элементов.

Структура реальных сплавов в значительной степени отличается от идеального строения кристаллов. В реальном металле всегда имеются нарушения макро- и микроскопического характера (поры, газовые и неметаллические включения, микротрещины и пр.), а также дефекты кристаллического строения, связанные с нарушением правильного расположения атомов в самой кристал­лической решетке. Все эти виды нарушений заметно влияют на свойства, при­чем наиболее велика роль несовершенства кристаллического строения, так на­зываемых дислокаций. Из-за присутствия в металле дислокаций теоретическая прочность не реализуется. Прочность реальных кристаллов обычно составляет не более 1-5% от теоретической, рассчитанной по силам связи между атомами. В конструкции же, когда на эксплуатационные характеристики металла оказывают такие факторы, как наличие надрезов, напряженное состояние, температурные условия эксплуатации, агрессивность окружающей среды, используется только от 40 до 80% прочности исходного металла.

Член – корреспондент АНСССР И. А. Одинг еще в конце 40х годов прошлого столетия, сформулировал основные закономерности изменения прочности кристаллических тел в зависимости от от плотности дислокаций, благодаря им получили интенсивное развитие:

1. получение металлов с кристаллическим строением близким к совершенству (создание бездислакационных кристаллов с прочностью приближающейся к теоретической), и разработка на этой основе высокопрочных композиционных материалов;

2. создание в уже имеющихся материалах повышенной или высокой плотности дислокаций, что при условии равномерного или периодического распределения в объеме металла позволяет в несколько раз повысить его прочность;

Во втором пути повышения прочности металлов используются два основных метода:

- пластическая деформация (механическая энергия) для достижения необходимой плотности дислокаций;

- термическое воздействие (тепловая энергия).

Наиболее эффективно повышает прочность комбинация этих двух способов с названием термомеханическая обработка (ТМО).