1 классифици
руются по симметрии кри-
сталлов (кубические, тетрагональные, ромбические, гексагональные
и т. д.) или по осуществляемому в них типу химических связей (ион-
ные, ковалентные, металлические, вандерваальсовы)
Наименьший объем кристалла, дающий представление об атом-
ной структуре материала во всем объеме, называется элементарной
ячейкой.
а – объемноцентрированная кубическая; б – гранецентрированная
кубическая; в – гексагональная плотноупакованная решетка
Под кристаллографической плоскостью понимается плоскость,
проходящая через узлы кристаллической решетки.
Кристаллографические направления определяются прямой, про-
ходящей через начало координат и узел кристаллической решетки. В идеальных кристаллах дальний порядок охватывает все ато-
мы. Однако в реальных кристаллах всегда существует огромное коли-
чество структурных нарушений, обычно называемых несовершенст-
вами, или дефектами.
В зависимости от геометрии дефекты подразделяются: на то-
чечные, линейные, поверхностные и объемные.
Размеры точечных
дефектов соизмеримы с межатомным расстоянием Длина
линейных дефектов во много раз превышает размеры поперечного се-
чения. У поверхностных дефектов длина и ширина их значительно
превосходят толщину. Объемные дефекты имеют значительные раз-
меры во всех трех измерениях (поры, трещины).
2) Под диффузией понимают перемещение атомов в кристалличе-
ском теле на расстояние, превышающее средние межатомные рас-
стояния данного вещества. Если перемещения атомов происходит из
узла кристаллической решетки в соседний или междоузлие и не свя-
заны с изменением концентрации в отдельных объемах, то такой про-
цесс называется самодиффузией.
Перемещение разнородных атомов, сопровождающееся измене-
нием концентрации компонентов в отдельных зонах сплава, называ-
ется гетеродиффузией, или просто диффузией.
Предложено несколько механизмов для объяснения процесса диф-
фузии: циклический, обменный, вакансионный, междоузельный и др.
3)Энергетические условия кристаллизации
Любое вещество в зависимости от температурных условий мо-
жет находиться в твердом, жидком или газообразном агрегатном со-
стоянии, в соответствии с тем, какое энергетическое состояние будет
более устойчиво. Согласно второму закону термодинамики более ус-
тойчиво будет состояние, обладающее меньшей свободной энергией.
Переход металла из жидкого или парообразного агрегатного состоя-
ния в твердое с образованием кристаллической структуры называется
первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов при из-
менении термических условий в твердом кристаллическом веществе
называется вторичной кристаллизацией.
Термодинамическое состояние системы описывается первым
законом термодинамики, согласно которому свободная энергия или
термодинамический потенциал системы выражается следующим
уравнением:
F H TS,
где H – полная энергия системы; T – абсолютная температура; S – эн- тропия С изменением температуры термодинамический потенциал ве-
щества в твердом и в жидком состоянии изменяется по разным зави-
симостям (рис. 1.8). При температуре Тпл величина свободной энергии
жидкого и твердого агрегатного состояния системы равны. Эта тем-
пература называется равновесной температурой кристаллизации
При самопроизвольной кристаллизации из жидкой фазы цен-
трами кристаллизации становятся группировки атомов небольшого
объема с расположением атомов аналогичным их расположению
в кристаллической решетке, которые при переохлаждении способны
к росту. Образованию центров (зародышей) кристаллизации способ-
ствуют флуктуации энергии, т. е. отклонения энергии таких группи-
ровок атомов в отдельных зонах жидкого металла от некоторого
среднего значения в системе.
Самопроизвольная кристаллизация характерна только для высо-
кочистых жидких металлов. В реальных металлах в расплавах всегда
присутствуют различные неметаллические включения, оксиды и дру-
гие примеси, которые чаще всего становятся источниками образова-
ния зародышей кристаллизации. При кристаллизации атомы металла
оседают на активированных поверхностях примесей, как на готовых
зародышах, что приводит к увеличению количества центров кристал-
лизации и измельчению структуры. Такая кристаллизация называется
гетерогенной.
Роль зародышей играют и сами стенки формы. Многие металлы в зависимости от температуры могут сущест-
вовать в разных кристаллических формах (Fe, Mn, Sn, Ti и др.). Суще-
ствование одного металла в нескольких кристаллических формах но-
сит название полиморфизма.
4)Механизм кристализации
Форма и размеры зерен, образующихся при кристаллизации из
жидкой фазы, зависят от условий их роста и в первую очередь от ско-
рости и направления теплоотвода, температуры жидкого металла
и химического состава, в частности, содержания примесей. Чаще
в процессе кристаллизации образуются разветвленные или древовид-
ные кристаллы, называемые дендритами
Структура металла в слитках зависит от химического состава
жидкого сплава, температуры заливки в форму, условий охлаждения
при кристаллизации, геометрической формы детали, теплопроводно-
сти и состояния внутренних поверхностей форм.
Кристаллизация слитка начинается у поверхности формы в тон-
ком сильно переохлажденном слое, вследствие чего образуется боль-
шое количество равноосных мелких кристаллов (зона I). При образо-
вании тонкой корки закристаллизованного металла меняются условия
теплоотвода, снижается градиент температур, уменьшается степень
переохлаждения. Происходит рост кристаллов перпендикулярно
стенке изложницы в направлении противоположном интенсивному
отводу тепла. Образуются столбчатые структуры (зона II). В больших
слитках температура в центральной части выравнивается и создаются
условия для равновесной кристаллизации (зона III)
Слитки сплавов зачастую имеют по сечению неоднородный со-
став. Химическая неоднородность по отдельным зонам называется
зональной ликвацией. При разности плотности жидкой и твердой фаз
по мере кристаллизации слитка наблюдается также гравитационная
ликвация.
5) Деформацией называется изменение геометрической формы
и размеров тела под действием внешних или внутренних факторов. Если по окончании действия
внешних нагрузок форма и размеры твердого тела восстанавливаются,
то такая деформация называется упругой. Необратимое изменение фор-
мы и размеров тела под воздействием внешних нагрузок называется
пластической деформацией. При увеличении действующих нагрузок
деформация может закончиться разрушением.
При упругой деформации кристаллическая решетка лишь иска-
жается по форме, происходит изменение расстояний между узлами
решетки, однако это искажение решетки существует до тех пор, пока
воздействует внешняя нагрузка. После снятия нагрузки кристалличе-
ская решетка возвращается в исходное положение.
Пластическая деформация представляет собой необратимое пере-
мещение одних частей кристалла относительно других. Для металлов
характерно большее сопротивление растяжению или сжатию, чем сдви-
гу. Поэтому процесс пластической деформации обычно представляет
собой процесс скольжения одной части кристалла относительно
другой по кристаллографической плоскости или плоскостям скольжения
с более плотной упаковкой атомов. В результате скольжения кристал-
лическое строение перемещающихся частей не меняется
При достижении достаточно больших напряжений процесс де-
формации заканчивается разрушением и состоит из трех стадий: за-
рождение трещины, ее распространение и разделение тела на макро-
кристаллические части.
В зависимости от величины пластической деформации перед
разрушением различают два основных вида разрушения: хрупкое
и вязкое. Хрупкое разрушение происходит путем отрыва или скола по
определенным плоскостям кристалла, а также излома по границам зе-
рен, т. е. носит межкристаллический характер, при этом плоскость раз-
рушения перпендикулярна действующим нормальным напряжениям.
Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием касатель-
ных напряжений, плоскость скольжения располагается под углом 45°
к направлению действия главных нормальных напряжений и сопрово-
ждается значительными пластическими деформациями
\6) Механические свойства материалов характеризуют поведение
их при воздействии внешних нагрузок. В связи с тем, что механиче-
ские свойства материалов зависят от скорости приложения и вида на-
грузки, температурных условий, геометрических размеров и формы
образцов, условия их определения строго регламентированы соответ-
ствующими стандартами.
В зависимости от условий нагружения испытания подразделя-
ются на:
1) статические – при медленном и плавном возрастании нагруз-
ки на образец при однократном нагружении;
2) динамические – при возрастании нагрузки с большой скоро-
стью, имеющей ударный характер, при однократном воздействии;
3) при циклическом многократном нагружении с изменением
нагрузки по величине и направлению.
7) Твердостью называется свойство материала оказывать сопро-
тивление пластической деформации при контактном воздействии на
поверхностный слой.
Определение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012–59)
Метод основан на внедрении в плоскую испытываемую поверх-
ность стального закаленного или твердосплавного шарика диаметром D
под постоянной нагрузкой Р, выдержке в течение определенного време-
ни и измерении диаметра отпечатка d, остающегося на поверхности
после снятия нагрузки. Твердость определяется по формуле
При измерении твердости необходимо соблюдать следующие
условия:
– площадка измерения должна быть плоской;
– размер площадки должен составлять не менее двух диаметров
шарика;
– толщина образца должна быть не менее десяти глубин внедре-
ния шарика;
– твердость измеряемого образца должна быть не более 4500 МПа
при измерении стальным шариком и 6000 МПа при измерении твердо-
сплавным шариком, т. к. возможно искажение результатов измерений,
вследствие деформации шарика.
При измерении твердости нагрузка выбирается таким образом,
чтобы диаметр отпечатка был в диапазоне 0,24 d 0,6D . В зависи-
мости от вида материалов и их твердости рекомендуются следующие
соотношения для выбора нагрузки:
– черные металлы (стали и чугуны) P = 30 D2;
– сплавы на основе титана P = 15 D2;
– сплавы на основе меди (бронзы, латуни), алюминия P = 10 D2;
– мягкие сплавы (баббиты и др.) P = 2,5 D2
8) Определение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013–59)
Твердость определяется по глубине отпечатка при внедрении
в твердое тело алмазного конуса с углом при вершине 120° или сталь-
ного закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Индентор вдавливает-
ся при двух последовательных нагрузках, предварительной Р0 = 10 кгс
и основной Р1, величина которой зависит от твердости измеряемого
материала и формы индентора. Основная нагрузка для шарика со-
ставляет 90 кгс и измерения проводятся по шкале В. При использова-
нии конического индентора и измерении по шкале А основная на-
грузка составляет 50 кгс, по шкале С – 140 кгс.
Измерение твердости производится путем внедрения индентора
сначала под нагрузкой Р0 = 10 кгс, а затем с добавлением основной 45
нагрузки Р1, выдержке 10 с, и измерения остаточной глубины внедре-
ния индентора после снятия основной нагрузки при сохранении пер-
воначальной нагрузки Р0. За единицу твердости принимается величи-
на, соответствующая осевому перемещению индентора 0,002 мм.
В соответствии со шкалой, по которой определялась твердость, она
обозначается соответственно HRA, HRB, HRC, например, 65 HRC.
Определение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999–75)
Измерение твердости производится путем внедрения в поверх-
ность правильной четырехгранной алмазной пирамиды с углом при
вершине 136° при определенной нагрузке, выдержке и измерении
диагонали отпечатка d, остающегося на поверхности после снятия на-
грузки. Твердость измеряется на тщательно отшлифованной или по-
лированной поверхности при нагрузках 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50, 100 кгс.
Чем меньше толщина образца, тем меньше выбирается нагрузка.
Твердость определяют по формуле
.
Основной режим испытаний P = 30 кгс, = 10…15 с. Твердость
обозначается 420HV, при других режимах в обозначении твердости
указывается нагрузка и время выдержки под нагрузкой, например,
420HV50/20.
Этот метод применяется в основном для оценки твердости мало-
толщинных деталей и тонких поверхностных слоев.