1. Строение металлов

М еталлы за исключением особых случаев их обработки имеют кристаллическое строение, которое характеризуется закономерным и периодичным расположением атомов в пространстве.

В общем случае строение кристалла (рис. 1.1) можно представить в виде пространственной трехмерной сетки, в узлах которой расположены атомы.

Параллелограмм АБВГДЖЗ – элементарная ячейка кристаллической решетки, а структура кристалла образуется огромным количеством таких ячеек.

Б ольшинство металлов, применяемых в технике, имеет кристаллические решетки следующих типов (рис. 1.2):

– кубическая объемно-центрированная (хром, вольфрам, молибден и др.).

– кубическая гранецентрированная (алюминий, медь, свинец, никель и др.).

– гексагональная плотноупакованная (магний, цинк, кобальт и др.).

Рис. 1.2. Кристаллические решетки металлов

Для определения плоскостей, которые можно провести в элементарных ячейках пространственных решеток, принята система индикации.

Для решеток кубического типа – это три числа в круглых скобках, для гексагональных решеток – четыре числа (рис. 1.3).

В заимное расположение атомов на различных, кристаллографических плоскостях различно, а также различна и величина межатомных расстояний, от чего зависит силовое взаимодействие между атомами.

П

Рис. 1.3. Схема индикации плоскостей кристаллической

Решетки

о этому свойства кристаллов в различных плоскостях неодинаковы. Различие свойств по разным направлениям называется анизотропией. Можно найти в природе или искусственно вырастить монокристалл, форма которого характеризуется плоскостями и гранями типичными для кристаллической решетки данного вещества.

Сложенное кристаллическое строение имеют слитки, полученные при разливке жидкого металла и медленном охлаждении. На (рис. 1.4) представлен продольный шлиф 500 кг слитка из углеродистой стали. Хорошо видна структурная неоднородность слитка по всему сечению, что вызвано различными условиями кристаллизации металла по мере его остывания.

Рис. 1.4. Структура слитка из среднеуглеродистой стали

Рис. 1.5. Структура слитка после проковки

Осевая зона состоит из крупных равноосных зерен, здесь же находятся V-образные зоны ликвации – зоны, вызванные различной растворимостью элементов в стали. Имеется зона мелких кристаллов – по наружной поверхности слитка, далее зона столбчатых дендритов, за ними следуют крупные равноосные разориентированные дендриты. Дендриты – это монокристаллы, процесс формообразования которых определялся в первую очередь наличием температурного градиента на поверхности затвердевания. Черные области в осевой части слитка – микрораковины, вызванные ликвацией.

Добиться однородной структуры по всей зоне слитка, раздробить дендритную сетку, заварить раковины, измельчить крупные зерна можно только подвергнув слиток проковке со значительной степенью обжатия (рис. 1.5).

Металлы и сплавы, полученные такими способами, имеют поликристаллическую структуру, то есть конгломерат кристаллов (зерен), форма, размеры и направление кристаллографических осей которых неупорядочены. Таким образом, технический металл представляет собой поликристалл. Вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки зерен поликристалл имеет одинаковые свойства в различных направлениях, то есть изотропен.