Строение металлов и сплавов, их кристаллизация

"V/ о ' Внутренним строением металлов называется строение

и взаимное расположение их атомов, а также более крупная структура, видимая в микроскоп или невоору­женным глазом.

Металлы по внутреннему строению представляют со­бой совокупность нейтральных атомов, положительно или отрицательно заряженных ионов и свободных элек­тронов, образующих так называемый «электронный газ». Наличие «электронного газа» обусловливает высокую электро- и теплопроводность металлов, а взаимосвязь свободных электронов между собой и с ионами создает прочную связь, называемую металлической. Специфика металлической связи делает металлы пластичными (ков­кими).

Кроме природы атомов на свойства металлов влияют характер связи между атомами, расстояние между ни­ми и порядок их расположения.

Все металлы в твердом состоянии имеют кристалли­ческое строение, т. е. их атомы (ионы) расположены в строгом, периодически повторяющемся порядке, обра­зуя ,'в пространстве атомно-кристаллическую решетку (в противоположность аморфным твердым телам, атомы которых расположены в пространстве хаотично).

Порядок расположения атомов у различных метал­лов неодинаков. Обычно он определяется простыми ха-

Рис. 6. Порядок расположения атомов в простых реше-ках:

а—объемно-центрированной кубической (9 атомов); б—гранецентрирован-ной кубической (14 атомов); в —гексагональной плотноупакованной (17 ато­мов).

рактерными для большинства металлов (рис. 6) или сложными кристаллическими решетками. Линии на рис. 6 условные. Атомы 'в действительности колеблются возле положений равновесия, т. е. в узлах кристалличе­ской решетки. Расстояние между атомами в кристалли­ческой решетке измеряется в ангстремах (1А==10~⁹ нм). У большинства металлов расстояние между атомами на­ходится в пределах 0,28—6,8 нм.

Наименьший объем кристалла, дающий представле­ние об атомной структуре металла во всем объеме, на­зывается элементарной кристаллической ячейкой.

Получаемые обычным способом металлы представля­ют собой поликристаллические тела, состоящие из мно­жества элементарных ячеек, ориентированных относи­тельно друг друга самым различным образом. Ячейки имеют неправильную форму и называются кристаллита­ми, или зернами. Если сочетание элементарных ячеек правильное, по расположению атомов повторяющее эле­ментарную ячейку, то образовавшееся тело называется монокристаллом.

Металлические сплавы, как и металлы, имеют кри­сталлическое строение. При этом в зависимости от взаимодействия компонентов они подразделяются на твердые растворы, химические соединения и механиче­ские смеси.

Твердые растворы образуются тогда, когда при сплавления атомы одного элемента в разных количест­вах входят в кристаллическую решетку другого элемен­та, не изменяя в значительной мере ее формы. Элемент, сохранивший форму своей решетки, называется раство­рителем, а элемент, атомы которого вошли в эту решет- • ку,—растворенным. По размещению атомов растворен­ного элемента в решетке растворителя различают твер-

дые растворы замещения (атомы растворенного элемен­та располагаются в узлах решетки растворителя) и твердые растворы внедрения (атомы растворенного эле­мента находятся между атомами растворителя и узлами его решетки).

Если входящие в состав твердого раствора замеще­ния компоненты имеют близкое строение решеток и ато­мов, то такие элементы могут образовывать непрерыв­ный ряд твердых растворов, т. е. количество замещенных атомов может изменяться от 0 до 100 %.

При этом считается, что растворителем является тот элемент, содержание которого в сплаве более 50 %.

Растворы внедрения образуются элементами, сильно отличающимися строением решетки и размерами атомов.Твердые растворы являются гомогенными (однород­ными) сплавами, так как их структура представляет собой одинаковые по составу и свойствам зерна. Свой­ства твердых растворов ib значительной степени могут отличаться от свойств входящих в него компонентов. Все металлы в той или иной степени могут растворять­ся один в другом, образуя твердые растворы.

Химические соединения образуются при химическом взаимодействии атомов компонентов сплава, сопровож­дающемся значительным тепловым эффектом. При этом кристаллическая решетка химического соединения и все его свойства могут резко отличаться от решетки и свойств компонентов. В огличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между ком­понентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов. Типичными примерами химических соединений являются соединения магния с оловом, свин­цом, сурьмой, висмутом, серой, селеном, теллуром и др. По своей структуре они гомогенны.

Химические соединения металлов называются интер­металлическими (интерметаллидами), а соединения ме­таллов с неметаллами (нитридами, гидридами, борида-ми, карбидами), обладающие металлической связью,— металлическими соединениями.

Механические смеси образуются тогда, когда при затвердении расплава атомы его компонентов не пере­мешиваются, а кристаллизуются в характерную каждо­му решетку. Структура таких сплавов гетерогенна (не­однородна) и представляет собой смесь кристаллов ком­понентов сплава, сохранивших свою структуру.

Рис. 7. Кривые охлаждения аморфного (а), кристаллического тела (б) и металлов (в), где /„ fn—температура кристаллизации и пере­охлаждения, "С; (Ti—Та) —время кристаллизации, с.

Строение кристаллического тела обусловливает сле­дующие особенные их свойства по сравнению с аморф­ными:

различие свойств монокристаллов в различных на­правлениях, т. е. анизотропность, или векториальность, свойств;

наличие плоскостей скольжения, приложение внеш­них сил приводит к скольжению (сдвигу) одной плоско­сти относительно другой;

•существование критической температуры при затвер­девании или плавлении, при которой происходит переход из жидкого (расплавленного) состояния в твердое или наоборот.

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией, а из твердого в жидкое — плавлением. Если образование кристаллов происходит из жидкости при ее охлаждении, то этот процесс назы­вается первичной кристаллизацией, если образование кристаллов идет в твердом состоянии тела,—вторичной кристаллизацией.

Процессы кристаллизации графически изображают кривыми, строящимися в координатах температура — время (рис. 7).

Явление переохлаждения в кристаллизующемся ме­талле объясняется тем, что в период затвердевания про-

исходит резкие снижение подвижности атомов, вследст­вие чего скачкообразно изменяется его внутренняя энер­гия. Это сопровождается выделением тепла, которое подогревает жидкую ванну и некоторое время (7'!—Тч) удерживает ее температуру постоянной, пока жидкость полностью не закристаллизуется.

Степень переохлаждения тем больше, чем больше ско­рость охлаждения.

Русский ученый-металлург Д. К. Чернов в 1878 г. установил, что процесс кристаллизации состоит из не­скольких стадий. Первая стадия — образование зароды­шей (центров) кристаллизации. На последующих стади­ях из этих центров образуются дендриты (древовидные образования), которые, срастаясь, образуют зерна (крис­таллиты). При этом они не имеют правильной геометри­ческой формы, так как в местах соприкосновения расту­щих кристаллов рост граней прекращается.

Величина зерна металла — важнейшая характеристи­ка, которая определяет все основные его свойства. Мелко­зернистый металл имеет более высокие характеристики твердости, прочности, ударной вязкости, но у него пони­женная электропроводность, хуже магнитные свойства.

Размер зерна зависит от количества центров кристал­лизации и скорости роста кристаллов (скорости охлаж­дения). Чем больше центров кристаллизации и меньше скорость их роста, тем меньше будет зерно.

Образование центров кристаллизации может проис­ходить самопроизвольно или на имеющихся в жидком металле частицах примесей, что используется при моди­фицировании — введении в жидкий металл примесей (модификаторов).

На образование центров кристаллизации, а следова­тельно, и величину зерна влияет степень переохлаждения tv—i-n (см. рис. 7). Чем больше степень переохлаждения, тем больше центров кристаллизации и мельче образую­щееся зерно.

_ s. Способы изменения структуры и свойств металлов У в твердом состоянии

Изменение структуры и свойств металлов производят и без его расплавления. Для этого используют три ха­рактерных для металлических веществ явления: алло­тропию, пластическую деформацию и рекристаллизацию.

Аллотропия (полиморфизм)—способность металлов

в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение (вид решетки). Процесс перехода одного вида решетки в другой называется аллотропическим, или по­лиморфным, превращением. Определенный тип решетки, характерный для металла в твердом состоянии и суще­ствующий в определенном интервале температур и дав­ления, называется модификацией (аллотропической фор­мой). Модификации металлов обозначают начальными буквами греческого алфавита: а, |3, у и др.

Известны модификации железа, кобальта, титана, олова, марганца, лития и др. Для железа характерны два аллотропических превращения: Fea^Fey. При темпе­ратуре менее 910 °С и в интервале от 1392 до 1539 °С железо имеет объемно центрированную решетку (Ред), а в интервале температур от 911 до 1392 °С — гранецент-рированную решетку (Fey). На рис. 8 переход железа из одной модификации в другую отмечен соответствующими горизонтальными площадками. При температуре 768 °С аллотропических изменений не происходит. Ниже этой температуры железо магнитно, выше — немагнитно. Тем­пературы 768 °С, 911°С, 1392 °С и 1539 °С называются критическими.

При нагревании железа и переходе Pea в Fey проис­ходят зарождение и рост новых зерен другой формы и размера. Как правило, при этом получаются более мел­кие, равноосные зерна, которые при охлаждении, т. е. превращении Fey в Fea, сохраняют свою форму и разме­ры. Металл получается с более мелкими и равномерными по размеру зернами. Следовательно, при постоянном дав­лении стоит только нагреть металл до такой температу­ры, при которой осуществляется переход из одной моди­фикации в другую, а затем охладить его, как атомы, перестроившись из одной решетки в другую, придадут новую форму и размеры зернам.

Процессы, связанные с аллотропическими превраще­ниями железа, широко используются при термической обработке стали и чугуна.

В некоторых случаях аллотропические превращения могут приводить и к разрушению металла. Например, олово при охлаждении ниже температуры —18 °С пре­вращается в порошок, известный под названием «оло­вянная чума».

Аллотропические превращения можно искусственно затормозить или вовсе не допустить путем быстрого ох­лаждения металла или добавки в него других элементов.

Пластическая деформация—это изменение размеров и формы металлов под действием приложенных сил и сохранение их после прекращения воздействия (в про­тивоположность упругой деформации, устраняющейся по­сле прекращения действия внешних сил).

В результате пластической деформации металл ста­новится более прочным, твердым и менее пластичным. Происходит это вследствие нарушения строения кристал­лической решетки, что затрудняет дальнейшую пласти­ческую деформацию. Явление упрочения металла при пластическом деформировании называется наклепом.

Пластическая деформация сопровождается также из­менением и более крупной структуры — формы и разме­ров зерен. При деформировании в одном направлении (например, при прокатке) зерна получаются вытянуты­ми. Такую структуру называют волокнистой. Это явле­ние в ряде случаев нежелательно, так как делает тело анизотропным, т. е. свойства его вдоль волокон отлича­ются от свойств поперек их.

Волокнистость устраняется нагревом (для устранения наклепа до температуры 300—400 °С). При этом обра­

зуются новые, отличительные от исходных, равновесные зерна металла. Такой процесс называется рекристалли­зацией, а температура его протекания — температурой рекристаллизации.I Методы исследования структуры металлов и сплавов

Внутреннее строение, или структуру, металлов и их дефекты изучают с помощью макроструктурного, микро­структурного, магнитного, люминесцентного, ультразву­кового, рентгеновского н ^-Дефектоскопического методов анализа.

Макроструктура—это строение металла, видимое не­вооруженным глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы. Макроструктурный анализ используют для выявления формы и расположения зерен в литом металле, направления волокон в поковках и штамповках, местонахождения, размеров и форм нарушения сплош­ности, дефектов сварки, оценки толщины поверхностного слоя в изделиях, подвергнутых специальной поверхност­ной обработке, и др. Его осуществляют просмотром от­шлифованной, отполированной и протравленной поверх­ности металлического изделия или макрошлифа (выре­занного из заготовки или металлоизделия темплета), по­верхность которого шлифуют и протравливают.

Микроструктурный анализ — это исследование струк­туры металлов и сплавов с помощью микроскопов с уве­личением от 1500 до 100000. Его осуществляют посред­ством изучения микрошлифов — вырезанных из метал­лоизделия или заготовки образцов, поверхность которых шлифуют, полируют и подвергают травлению специаль­ными реактивами. При использовании электронных мик­роскопов рассматривают тонкий прозрачный слепок с микрошлифа — фольгу, или реплику.

В последнее время для исследования структуры и свойств металлов широко применяются методы фракто-графии, позволяющие исследовать строение изломов, т. е. поверхностей, образующихся в результате разрушения металлоизделий или заготовок. Изломы изучают посред­ством макро- и микроструктурного анализа.

Магнитный метод (магнитная дефектоскопия) приме­няется для выявления трещин, волосовин, раковин и дру­гих дефектов, находящихся на поверхности (или близко около нее) изделий из ферромагнитных материалов. Сущ-

ность метода заключается в намагничивании изделия. Затем на поверхность наносится магнитный порошок оки­си железа или его суспензия в керосине. Частицы порош­ка под действием магнитного потока, рассеивающегося в месте расположения дефекта, ориентируются по сило­вым линиям. В результате отчетливо выделяются даже самые мелкие дефекты.

Люминесцентный метод (люминесцентная дефекто­скопия) используется для выявления поверхностных де­фектов изделий (микротрещин). Он основывается на свойстве некоторых органических веществ светиться под действием ультрафиолетовых лучей. Сущность метода заключается в нанесении на поверхность изделия специ­ального флуоресцирующего раствора и ее освещении ультрафиолетовым светом. Проникающий в микротрещи­ны раствор под действием лучей светится, тем самым по­зволяя их выявить.

С помощью ультразвукового метода (ультразвуковая дефектоскопия) выявляют дефекты, расположенные глу­боко в толще металла. Для этого используются ультра­звуковые дефектоскопы, с помощью которых через тол­щу металла пропускают пучок ультразвуковых волн и контролируют их прохождение. Любая несплошность ме­талла нарушает нормальное распространение волн, что можно увидеть на экране имеющегося в приборе осцил­лографа.

Рентгеновский метод (рентгеновская дефектоскопия) применяется для контроля литых, кованых и штампован­ных деталей, а также сварных соединений. Он заклю­чается в просвечивании деталей рентгеновским излуче­нием и фиксировании выходящего излучения на специ­альной светочувствительной пленке. При этом темные места на пленке свидетельствуют о наличии дефектов в исследуемых деталях.

Разновидностью рентгеновского метода является у-де-фектоскопия.

Од Коррозия и методы защиты от нее

•^6 ^ Коррозией называется разрушение металла вследст-J-- вие его взаимодействия с окружающей средой.

Если металл корродирует сильно, то его называют активным, если слабо,— пассивным.

В зависимости от механизма разрушений коррозию

подразделяют на химическую и электрохимическую. Хи­мической коррозией называют процессы разрушения ме­талла, происходящие в среде сухих газов или жидкостей, не проводящих электрический ток (масло, бензин, керо­син). Химическая коррозия характеризуется только окис­лительными процессами. Электрохимическая коррозия происходит в жидкостях, проводящих электрический ток,— электролитах. В этом случае процесс коррозион­ного разрушения обусловлен прохождением электричес­кого тока.

По виду агрессивной среды коррозию подразделяют на атмосферную, морскую, речную, почвенную, коррозию в электролитах (кислотах, щелочах, солях) и др. Опре­деляют коррозию и по характеру разрушения металла (рис. 9). При этом сплошная коррозия характерна толь­ко для однородных металлов.

Различают также коррозию под напряжением, возни­кающую в результате действия коррозионной среды и напряжения растяжения.

Для защиты металлов от коррозии применяют ряд методов. Различают активную и пассивную защиту. К ме­тодам активной защиты металлов от коррозии относятся легирование, протекторная защита, рациональное кон­струирование, ингибитирование, удаление компонентов, стимулирующих коррозию, и другие, к методам пассив­ной защиты — нанесение защитных металлических и не­металлических покрытий.

Так, легирование стали коррозионно-стойкими метал­лами позволяет значительно сократить потери, сохранить ее качественные характеристики. Известно, что нелегиро­ванные стали кородируют практически при любых кли­матических условиях, причем скорость коррозии — 140— 1200 г/(м².год).

Протекторная защита заключается в присоединении к защищаемому металлу другого металла с более низ-

ким электрохимическим потенциалом (чаще всего маг­ния или цинка). Как протектор металл ускоренно корро-дирует, сохраняя в неприкосновенности защищаемое из­делие. Этот метод особенно эффективен для защиты труб, проложенных под землей.

Рациональное конструирование изделий с целью за­щиты их от коррозии предполагает уменьшение поверх­ности и особенно горизонтальных плоскостей, где скоп­ляется влага, сокращение количества соединений и др. Здесь, особенно на болтах или заклепках, металл корро-дирует особенно сильно.

Ингибитирование—это метод, предполагающий ис­пользование веществ, подавляющих коррозию. Такие ве­щества путем физической абсорбции или химических реакций, блокируют поверхность металла или создают на нем защитный слой. Наиболее широко ингибиторы применяются на нефтеперерабатывающих предприятиях для снижения коррозионной активности охлаждающих жидкостей (воды, антифризов). При хранении и транс­портировании чувствительных приборов, сверхточного ин­струмента ингибиторы насыщают своими парами нахо­дящийся внутри упаковки воздух и осаждаются на ме­таллы в виде тончайшей пленки.

Металлические защитные покрытия используются для защиты стали. Их наносят гальваническим осаждением, металлизацией, распылением, погружением в расплав, напылением в вакууме, диффузией. Для покрытий изде­лий и деталей применяют цинк, кадмий, алюминий, оло­во, свинец, никель, хром, медь, а также латунь и бронзу. Погружая такие детали в горячие подкисленные раство­ры хроматов калия и натрия, производят пассивирование покрытий. В результате замедляется их коррозия. Такие покрытия переливаются всеми цветами, что является ти­пичным признаком высококачественной антикоррозион­ной защиты.

Разновидностью металлических защитных покрытий является также наложенный на поверхность детали лист металла (меди, алюминия), имеющего более высокие антикоррозионные свойства. Наложение такого металла осуществляется прокаткой, а процесс называется плаки­рованием.

Для создания неметаллических защитных покрытий наиболее широко используются лакокрасочные материа­лы. Их доля среди средств пассивной защиты составляет

70—80%. Они отличаются универсальностью примене­ния, простотой использования. Однако необходима тща­тельная предварительная подготовка поверхности.

К неметаллическим защитным покрытиям относятся также окисные и фосфатные пленки. Окисные пленхи получают оксидированием (кипячением детали в водном растворе сильного окислителя). При этом детали приоб­ретают синий или черный цвет. Фосфатные пленки полу­чают обработкой деталей смесями фосфорной кислоты и ее солей.

Кроме того, в качестве неметаллических защитных покрытий широко используются пластмассы, смазочные материалы, смолы, полимерные пленки, резина, соедине­ния кремния и др.

Если наряду с защитой от коррозии покрытие служит и для декоративных целей, его называют защитно-деко­ративным.