книги / Строительные материалы

объема, занятого атомами, к объему кристаллической решетки.

В зависимости от формы кристаллической ячейки и степени ее упаковки каждый атом имеет различное число взаимных контактов с другими атомами. Эта величина характеризуется координационным числом — числом ато­ мов, находящихся на наиболее близком равном расстоя­ нии от данного атома: при кубической объемно-центри­ рованной решетке—К18; при кубической гранецентриро­ ванной— К12 и др. Каждый металл имеет свою харак­ терную кристаллическую ячейку, которая многократно повторяется и образует решетку его структуры.

В металлах действуют различные виды физико-хими­ ческой связи: металлическая, ван-дер-ваальсовая, ионная и ковалентная. В переходных металлах, к которым отно­ сится сталь, преобладает металлическая связь, возника­ ющая за счет сил притяжения между решеткой из поло­ жительно заряженных ионов и окружающим их «газом» свободных электронов.

При отсутствии внешней нагрузки атомы в кристалле находятся на равновесных расстояниях. Если приложить сжимающую нагрузку, то атомы будут сближаться до такого расстояния, при котором внутренние отталкива­ ющие силы уравновесят внешние сжимающие силы. При растяжении кристалла расстояние между атомами уве­ личивается до тех пор, пока силы притяжения не урав­ новесят внешнюю нагрузку. Сопротивление деформиро­ ванию определяется сопротивлением сдвигу одного атом­ ного слоя относительно другого, соседнего. В случае приложения внешней силы наряду со сдвигом разруше­ ние может произойти путем отрыва одной части кристал­ ла от другой. Теоретически вычисленные напряжения, необходимые для отрыва одного атомного слоя от дру­ гого, на несколько порядков выше, чем прочность реаль­ ных кристаллов.

Столь большое расхождение между теоретической и реальной прочностью металлов обусловлено дефектами кристаллов. Дефекты в кристаллах по геометрическим признакам разделяют на точечные, линейные, поверхно­ стные и объемные. Точечные имеют размер порядка' диа­ метра атома. К ним относят чужеродные атомы (приме­ си), вакансии, межузельные атомы и др. Линейные дефекты обладают сечением порядка атома и одним про­ тяженным. размером. Это дислокации различных типов,

вающим создание в кристал­ лической решетке полей напряжений, приводящих к со­ ответствующим локальным деформациям и смещениям.

Краевые, или линейные, дислокации характеризуются появлением в кристалле добавочной незавершенной атом­ ной плоскости (экстраплоскости). Дислокация называет­ ся положительной (рис. 11.3), если экстраплоскость ле­ жит в верхней части кристалла, и отрицательной, если она расположена в нижней части кристалла.

ся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров.

На рис. 11.6 показан механизм кристаллизации. Снача­ ла рост кристаллов не встречает препятствий (рис. 11.6, а, б), и растущие кристаллы сохраняют правильность строения кристаллической решетки. При дальней­ шем движении кристаллы сталкиваются, и образовав­ шиеся зерна имеют уже неправильную форму, но сохра-

ияют правильность строения внутри каждого кристалла. Такие группы кристаллов, называют зернами (рис. 11.G, в—гд). На рис. 11.6, е показаны границы зерен различ­ ных размеров. Размеры зерен зависят от природы ме­ талла и условий его кристаллизации.

При охлаждении расплава металла с началом его кристаллизации падение температуры прекращается, на кривой охлаждения (рис. 11.7) образуется горизонталь­ ный участок (см. левый график). Это объясняется тем, что группировка атомов идет с выделением теплоты. По окончании затвердевания температура снова понижает­ ся. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной тем­ пературе.

Температуру, при которой металл переходит из жид­ кого состояния в твердое, называют температурой пер­ вичной кристаллизации. Кроме первичной кристаллиза­ ции, возможна и вторичная — изменение кристалличе­ ского строения металлов в твердом состоянии.

При быстром отводе теплоты некоторые металлы способны определенное время находиться в жидком со­ стоянии при температуре ниже границы первичной крис­ таллизации. Это явление объясняют следующим обра­ зом. В результате быстрого отвода теплоты образуется много центров кристаллизации и происходит их интен­ сивный рост, что приводит к выделению значительного количества теплоты, способной некоторое время поддер­ живать металл в жидком состоянии и даже повышать его температуру.

Металлы обладают свойствами аллотропии, т. е. спо­ собностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровож­ даются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: a-Fe; p-Fe; y-Fe; б-Fe. Практическое значение имеют только a-Fe и y-Fe, так как б-Fe и p-Fe отличаются от a-Fe только величи­ ной межатомного расстояния, а для p-Fe характерно от­ сутствие магнитных свойств.

Температура, при которой происходит переход метал­ ла из одной аллотропической формы в другую, называ­ ется критической. Точки этих температур видны на диа­ грамме охлаждения чистого железа (см. рис. 11.8) как температуры горизонтальных участков, свидетельствую-

щих о том, что фазовые превращения происходят с вы­ делением теплоты.

Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, т. е. тела, состоящие из боль­ шого числа различно ориентированных кристаллических зерен; поперечные размеры этих зерен 0,001—0,1 мм.

Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать ус­ ловно изотропными телами, т. е. обладающими одина­ ковыми свойствами по всем направлениям.

3.Строение железоуглеродистых сплавов

Врезультате совместной кристаллизации несколь­ ких элементов могут образоваться сплавы следующих типов: механическая смесь, твердый раствор и химиче­ ское соединение. Возможность возникновения того или иного типа сплава определяется характером взаимодей­ ствия элементов в процессе кристаллизации.

Механические смеси образуются путем срастания кристаллов между собой при раздельной кристаллиза­ ции компонентов. В механической смеси каждый из ком­ понентов сохраняет свои специфические свойства. Струк­ тура сплава в этом случае будет состоять из кристаллов веществ А и Б, связь между которыми осуществляется по границам зерен (рис. 11.9, а). Значения свойств спла­ ва будут средними между свойствами элементов, кото­ рые его образуют.

Твердые растворы образуются в результате проник­ новения в кристаллическую решетку основного металла атомов другого металла или неметалла. В зависимости от характера размещения атомов различают твердые растворы замещения и внедрения. При образовании твердого раствора замещения атомы одного из компо­ нентов, например Б, частично замещают атомы компо­ нента А в узлах его кристаллической решетки. Твердый раствор внедрения образуется, когда атомы одного из компонентов размещаются в междоузлиях кристалличе­ ской решетки другого (рис. 11.9, б). Твердые растворы замещения могут образоваться при совместной кристал­

лизации металлов, а твердые растворы внедрения — при совместной кристаллизации металла с неметаллом. Твердые растворы принято обозначать буквами гречес­ кого алфавита а, р, у и т. п.

В растворе внедрения атомы растворимого элемента внедряются между атомами металла, искажая его ре­ шетку. К таким элементам относятся — углерод, водо­ род, азот, бор и другие, концентрация которых в твер­ дом растворе может составлять 1—2 %. В растворе за­ мещения атомы растворимого элемента занимают места атомов растворителя в кристаллической решетке. При

kt

оf

ог

Рис. 11.9. Структура и кристаллические решетки (а—в) сплавов различных типов

1 — атомы вещества А; 2 — атомы ьещества В

этом размеры атомов основного металла и примеси должны отличаться не более чем на 15%. Например, хорошо замещаются атомы Fe и Сг, Си и Ni, Ti и V и т. д.

Химические соединения образуются в результате хи­ мического взаимодействия компонентов, при этом атомы располагаются в строгом порядке и количественном со­ отношении. Например, в сплавах железа с углеродом образуется карбид железа, называемый цементитом: 3Fe+C = Fe3C. В сплавах алюминия с медью образует­ ся интерметаллическое соединение СиА12. Как Fe3C, Так и СиА12 — твердые, прочные, но очень хрупкие вещества. Наличие их в сплаве ведет к его упрочнению с одновре­ менным понижением пластичности и ударной вязкости.

Строение сплава определяет его свойства, поэтому важно знать, как это строение будет меняться при из­ менении температуры и состава сплава. Зависимость между строением сплава, его составом и температурой описывается при помощи диаграмм состояния.

Диаграммы состояния строятся экспериментально по критическим точкам, полученным на кривых охлаждения сплавов данной системы. Поскольку критические точки стремятся получить при очень медленном нагреве или охлаждении сплава, т. е. для равновесного состояния, то

диаграммы состояния также называются еще и диаграм­ мами равновесия.

По диаграмме состояния конкретного сплава можно определить температуры кристаллизации и превраще­ ний в твердом состоянии и структуру при заданной тем­ пературе, что позволяет примерно оценить механические, физические и химические свойства сплава и правильно назначать режимы термической обработки, обработки давлением, сварки и т. п. Диаграммы состояний многих технических сплавов имеют сложный вид, но в боль­ шинстве случаев они могут быть сведены к нескольким простейшим диаграммам.

Диаграммы состояния сплавов получают на основа­ нии данных экспериментальных исследований термиче­ ского, микроскопического, рентгено-структурного, маг­ нитного и других анализов. Основным наиболее простым и широко используемым является метод термического анализа. При термическом анализе определяют темпе­ ратуру начала и конца затвердевания сплавов при пе­ реходе их из жидкого состояния в твердое, а также тем­ пературу всех превращений, происходящих в сплавах в твердом состоянии. Для термического анализа готовят ряд сплавов с различной концентрацией одного из ком­ понентов. Эти сплавы нагревают до расплавления, а за­ тем медленно и равномерно охлаждают. Через опреде­ ленные промежутки времени отмечают температуру сплава. На основании полученных данных строят кри­ вую охлаждения каждого сплава в координатах темпе­ ратура— время. Полученные на кривых охлаждения ха­ рактерные (критические) точки переносят в координаты температура — состав сплава.

Вид диаграммы состояния двойной системы опреде­ ляется взаимодействием ее компонентов в жидком и твердом состоянии (образованием жидких и твердых растворов, химических соединений и промежуточных фаз), а также наличием полиморфных модификаций

компонентов.

Можно выделить несколько основных типов диаграмм состояний (рис. 11.10). Диаграммы состояния первого типа относятся к сплавам, компоненты которых А и В неограниченно растворяются один в другом в жидком состоянии и не растворяются в твердом состоянии (рис. 11.10, а). Выше линии АСВ сплав находится в жидком состоянии. При Охлаждении сплава ниже линии АС на-

чинается кристаллизация компонента Л и в области ACD находится жидкий сплав и кристаллы компонента А. С понижением температуры увеличивается содержа­ ние кристаллов А и соответственно уменьшается содер­ жание компонента А в жидком сплаве. При температу­ ре, соответствующей линии DC, содержание компонен­ тов в оставшемся жидком сплаве достигает значений, соответствующих точке С, и происходит затвердевание жидкого сплава. При этом образуется механическая