Раздел 3. Дефекты в металлах

Программа. Структурные дефекты в металлах, их классификация. Влияние на свойства металлов вакансий, примесей, дислокаций, двойников. Дефектоемкость кристаллической структуры.

Методические указания. Структурные дефекты в металлах классифицируют по их размерности (точечные, линейные, поверхностные и др.), по их геометрическим признакам, по их упорядоченности и свойствам. Дефекты оказывают решающее влияние на все свойства кристаллов. Наиболее важно их влияние на механические свойства: пластичность, твердость, прочность, усталость.

Наиболее существенное влияние на механические свойства оказывают дислокации – линейные дефекты структуры. Дислокации описывают с помощью геометрических параметров: оси дислокации, вектора Бюргерса и плоскости скольжения.

Ось дислокации – это направление, по которому дислокация ориентирована в кристаллической структуре. Вектор Бюргерса – это направление сдвига плоских сеток, а плоскость скольжения – это плоскость, в которой расположены дислокации. Все эти параметры изображают с помощью кристаллографических символов. Например, [110](111)[112] – это дислокация с осью [110], с плоскостью скольжения (111) и вектором Бюргерса [112].

Пластическая деформация осуществляется при разложении однотипных дислокаций, лежащих в плоскостях скольжения с одинаковыми символами.

Упрочнение металла происходит в том случае, если в кристаллической структуре возникает очень большое число разных по своим геометрическим параметрам дислокаций.

Разупрочнение происходит, если имеет место скопление дислокаций, тогда в местах их скоплений возникают трещины.

Точечные дефекты – вакансии, межузельные атомы, примесные атомы могут оказывать разные виды структурных искажений.

В металлах, пересыщенных вакансиями, легко протекают процессы размножения дислокаций.

Повышенное число межузельных атомов обусловливает хрупкость металла. Значительное количество примесных атомов может приводить к разным эффектам.

Заданные примеси – легирующие атомы – влияют на те или иные свойства металла в зависимости от состава примесей и металла – хозяина.

Остаточные примеси в нечистом металле, как привило, ухудшают его свойства.

Примеси, вводимые при химико-термической обработке, призваны улучшать свойства металла.

Двумерные (плоскостные), трехмерные (объемные) дефекты в кристаллической структуре составлены из разных сочетаний точечных и линейных дефектов. Их влияние на физические свойства могут быть различны.

Вопросы

1. Какими параметрами характеризуются линейные дефекты?

2. Как осуществляется пластическая деформация кристаллической структуры?

3. За счет каких дефектов металл может стать хрупким?

4. Приведите примеры заданного воздействия примесных атомов на физические свойства металла.

Раздел 4. Железо и его сплавы

Программа. Полиморфные модификации железа: (-, - , - , -железо. Их температуры плавления и различия в кристаллической структуре. Диаграмма состояния железо – цементит. Сплавы железа с углеродом: феррит, аустенит, мартенсит, перлит, ледебурит. Их положения на диаграмме состояния и важнейшие свойства.

Методические указания. Сплавы железа с углеродом – это твердые растворы внедрения, в которых количество углерода составляет от 0,2 до 2,14% (стали) и от 2,14 до 6,67% - чугуны. Внедрение углерода в Fe и -Fe приводит к появлению различных сплавов: феррита низкотемпературного и высокотемпературного, аустенита, мартенсита. При содержании углерода 0,81% образуется эвтектоид, который называется перлитом. При содержании углерода 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. При быстром переохлаждении аустенита возникает мартенсит, фаза -Fe, в которой углерод образует пересыщенный твердый раствор.

Чугуны отличаются от сталей более высоким содержанием углерода, который присутствует в форме графита. Главными фазами чугунов являются перлит, феррит, ледебурит, цементит, а также свободный графит. По соотношению этих фаз различают разные марки чугунов: белый, серый, половинчатый, высокопрочный.

Значительная часть выплавляемого чугуна является передельной, то есть предназначена на дальнейший передел чугуна.

Значительная часть сталей относится к разряду углеродистых (~90%). Остальные 10% относятся к разряду легированных сталей.

Существуют десятки и сотни различны марок сталей. Они имеют разный состав (по углероду и по легирующим примесям), различную текстуру и различные свойства. Стали классифицируют:

1) по составу: углеродистые; легированные;

2) по назначению: конструкционные; инструментальные;

3) по качеству: обыкновенного качества; высококачественные.

Выделяют также специальные марки сталей:

а) быстрорежущие, с повышенной твердостью, обычно легированные вольфрамом, обычно это фазы мартенсита;

б) штамповые стали, износостойкие, содержащие карбиды;

в) коррозионно-стойкие – имеющие на поверхности оксидные пленки Cr₂O₃ (при легировании Cr), TiC, NbC, TaC – при легировании титаном, ниобием, танталом;

г) магнитные стали содержат примеси никеля и кобальта.

Вопросы

1. Какие полиморфные модификации образует железо? Каковы их температуры плавления и особенности кристаллической структуры?

2. Назовите основные фазы в системе железо – цементит. Каковы их различия в структуре, свойствах, содержании углерода?

3. При каких условиях возникает эвтектика -железо–цементит и эвтектоид -железо-цементит? Какие из этих фаз присутствуют в сталях и какие в чугунах?

4. Назовите специальные марки сталей.