2. Элементы металловедения

Металлы и их сплавы в твердом состоянии – кристаллические тела, в которых атомы (положительно заряженные ионы) располагаются в определенном закономерном порядке. Силы их взаимного притяжения и отталкивания уравновешены и твердое тело сохраняет свою форму. Правильное, закономерное расположение атомов в пространстве и определяет кристаллическое строение металлов и сплавов.

Кристаллические решетки у различных металлов и сплавов разные. Простейшая ячейка кристаллической решетки – кубическая. Атомы (ионы) расположены в вершинах куба, соприкасаются друг с другом и колеблются возле точек равновесия, т.е. возле узлов решетки с большой частотой. Наиболее часто у металлов и сплавов, а также у железа и стали встречаются более плотно упакованные ячейки кристаллических решеток: объемно центрированный куб (ОЦК), гранецентрированный куб (ГЦК), гексагональная плотноупакованная (ГПУ) и др. Кристаллическая ячейка ОЦК (рис. 1, а) имеет атомы во всех вершинах куба, а также один атом в его центре на пересечении диагоналей куба. Кристаллическая ячейка ГЦК (рис. 1, б) характеризуется расположением атомов в вершинах куба и в центре каждой его грани на пересечении ее диагоналей. В ячейке гексагональной' решетки атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центрах этих оснований и внутри призмы (рис. 1, в).

В реальных условиях у кристаллов металла наблюдается то или иное отклонение от правильного кристаллографического строения их решеток. Эти несовершенства принято называть дефектами кристаллического строения металлов и сплавов. К ним относятся точечные дефекты (вакансии или свободные узлы кристаллической решетки), линейные дефекты (дислокации) и др.

Рис. 1. Элементарные ячейки кристаллических решеток: а – объемно-центрированный куб (ОЦК) ; б – гранецентрированный куб (ГЦК) ; в – гексагональная плотноупакованная (ГПУ) ; а, с, d – параметры решетки

Рис. 2. Кривая охлаждения железа

Некоторые металлы, такие, как железо, кобальт и другие, а следовательно, и сплавы на их основе при нагреве и охлаждении до различных температур в твердом состоянии могут иметь различное кристаллическое строение с определенной кристаллической решеткой в данном интервале температур. Это явление существования одного металла в нескольких кристаллических формах носит название аллотропии, или полиморфизма. Различные кристаллические формы металла называются аллотропическими, или полиморфными, модификациями.

Рис. 3. Кривые охлаждения чистых металлов:

1 - теоретическая; 2 и 3 – экспериментальные

Аллотропические модификации обозначают греческими буквами (α, β, γ, δ и т.д.), добавляемыми к символу, соответствующему данному элементу.

Твердое железо при различных температурах существует в двух аллотропических модификациях: Fе_α и Fe_γ. В соответствии с этим кривая охлаждения железа (рис. 2) имеет иной вид по сравнению с кривой охлаждения чистого металла без аллотропического превращения в твердом состоянии (рис. 3).

Превращение одной аллотропической формы в другую сопровождается при охлаждении выделением скрытой теплоты кристаллизации. Поэтому на кривой охлаждения железа при температурах аллотропического превращения наблюдаются горизонтальные площадки. Верхняя ветвь кривой охлаждения (см. рис. 2) характеризует охлаждение жидкого железа. При температуре T = 1539 °С наблюдается горизонтальная площадка, что соответствует кристаллизации аллотропической модификации Fe_α. Она имеет кристаллическую решетку ОЦК, свою структуру и свойства, является немагнитной. Ветвь кривой охлаждения в интервале температур 1539-1392 °С является охлаждением твердой модификации Fе_α(δ)· При температуре 1392 °С наблюдается вторая горизонтальная площадка, которая соответствует перекристаллизации в твердом состоянии одной аллотропической модификации в другую: Fe_α → Fe_γ. Модификация Fe_γ имеет кристаллическую решетку ГЦК (гранецентрированный куб), свою структуру и свойства, является немагнитной.

Далее происходит охлаждениеFe_γ, что характеризуется ветвью кривой охлаждения в интервале температур 1392-911 °С. При температуре 911 °С наблюдается третья горизонтальная площадка на кривой охлаждения, что соответствует новой перекристаллизации железа в твердом состоянии с перестройкой кристаллической решетки. Здесь происходит переход Fe_γ в Fe_α. Железо Fe_α имеет кристаллическую решетку ОЦК, свою новую структуру и свойства и начиная с температуры 768 °С (точка Кюри) становится магнитным. Нижняя ветвь кривой охлаждения от 911 °С до комнатной температуры является охлаждением новой твердой модификации железа – Fe_α. При температуре 768 °С наблюдается перегиб кривой охлаждения, что отвечает появлению магнитных свойств у железа. Изменения структуры, механических и физических свойств в этой точке не происходит.

Охлаждение жидкого металла, не обладающего полиморфизмом, сопровождается плавным понижением температуры (верхняя ветвь кривой охлаждения) (см. рис. 3). В этом периоде не наблюдается качественного изменения состояния металла, поэтому его называют простым охлаждением металла. При достижении теоретической температуры кристаллизации T_s на кривых охлаждения появляются горизонтальные площадки, показывающие, что температура металла в период кристаллизации остается постоянной. Это объясняется выделением при кристаллизации скрытой теплоты кристаллизации, которая компенсирует отвод тепла в процессе охлаждения металла. Длина горизонтального участка кривой охлаждения соответствует времени протекания кристаллизации, показывая начало и конец процесса. По окончании кристаллизации, т.е. когда завершится переход металла из жидкого в твердое состояние, температура опять снижается – происходит охлаждение металла в твердом состоянии (нижняя ветвь кривой охлаждения). В реальных условиях процесс затвердевания может происходить лишь при переохлаждении металла до реальной температуры кристаллизации Т_n (где n – степень переохлаждения) , лежащей ниже теоретической температуры кристаллизации T_s. Разность между теоретической и реальной температурами кристаллизации металла называют степенью переохлаждения п. На кривой 3 наблюдается скачок в повышении Т_n за счет бурного выделения скрытой теплоты кристаллизации в первый ее момент.

В промышленности для строительных конструкций и газонефтепроводов применяют главным образом сплавы на основе железа, называемые сталями и чугунами. Для изучения состояния сплавов разных концентраций при различных температурах применяют диаграммы состояния – графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия при постоянном давлении. Их строят экспериментальным путем по кривым охлаждения для сплавов разных концентраций.

Вещества, составляющие сплав, называют компонентами.

Строение сплавов более сложное по сравнению с чистыми металлами. Свойства сплавов очень разнообразны и зависят от того, какие компоненты составляют сплав, в каких количествах и в какие взаимодействия они вступают в жидком и твердом состояниях. Поэтому в технике наибольшее применение имеют сплавы по сравнению с чистыми металлами.

Компоненты в сплаве могут не взаимодействовать друг с другом и образовывать в твердом состоянии механическую смесь кристаллов обоих компонентов, кристаллизующихся одновременно (рис. 4, а); растворяться друг в друге и образовывать жидкий и твердый растворы (рис. 4, б); вступать в химическое взаимодействие и образовывать химическое соединение, а также промежуточные и сложные фазы (например, твердый раствор на базе химического соединения). Твердые растворы по микроструктуре представляют собой, как и чистые металлы, однородные зерна.

Рис. 4. Схемы микроструктур сплавов: а - механическая смесь компонентов А и В; б – твердый раствор компонентов В и А

Твердый раствор однофазен и состоит из одного вида кристаллической решетки. Он образуется на основе одного из компонентов, называемого металлом-растворителем. В кристаллическую решетку металла-растворителя входят атомы другого компонента, называемого растворенным веществом.

Твердые растворы делятся на растворы замещения и внедрения в зависимости от характера размещения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя (рис. 5). В твердых растворах замещения атомы растворенного компонента В замещают частично атомы кристаллической решетки компонента-растворителя А. В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента С внедряются в кристаллическую решетку компонента-растворителя А, располагаясь между атомами А, Твердые растворы замещения бывают ограниченные и неограниченные. При неограниченной растворимости атомы растворителя А могут быть замещены атомами растворенного вещества В. Это возможно, если оба компонента имеют одинаковые структуру и кристаллические решетки, малое различие атомных размеров компонентов, а также близкие по строению и физической природе валентные оболочки атомов.

Рис. 5. Твердые растворы на основе металла с кристаллической решеткой ОЦК:

а – чистый металл; б – твердый раствор замещения; в – твердый раствор внедрения

Твердым раствором на базе химического соединения называют вещество, в кристаллической решетке которого могут находиться атомы другого элемента, заменившего атомы одного из компонентов. Например, вместо Fe₃С будет (Fe, Μn)₃С.

Фазой называют однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную от других частей системы границей раздела. Фазами могут быть жидкий раствор компонентов сплава, их твердый раствор, химическое соединение, кристаллы чистых компонентов. Системой называют совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температура, давление). Однофазной системой является, например,однородный жидкий раствор компонентов (жидкость). Примером двухфазной системы может служить механическая смесь кристаллов двух компонентов. В качестве компонентов могут быть и устойчивые их химические соединения. Внутреннее строение металлов и сплавов характеризует, микро-и макроструктура. Микроструктура - внутреннее строение металлов и сплавов, изучаемое под микроскопом при больших увеличениях (в 50-2000 раз). Она определяется формой и размером фаз, их взаимным рас-,положением. Макроструктура - внутреннее строение металлов и сплавов, изучаемое при небольших увеличениях с помощью лупы (до 10-30 раз) или невооруженным глазом (визуально). Она служит для определения различных дефектов металла, неоднородности его строения и т.д.

Тип диаграммы состояния зависит от взаимодействия компонентов в жидком и твердом состояниях. Если система однокомпонентная, например чистый металл, то диаграмма состояния будет иметь одну ось ординат – шкалу температур. На ней будет нанесена одна точка, соответствующая равновесной температуре перехода из жидкого в твердое агрегатное состояние (и наоборот, из твердого – в жидкое) чистого металла Т_n. Эта равновесная температура плавления определяется на кривой его охлаждения. Если в системе два компонента, то вторая ось – ось абсцисс будет шкалой концентраций сплава, так как диаграмму состояния двух-компонентного сплава строят в двух измерениях (температура – концентрация).

Рис. 6. Диаграммы состояния однокомпонентной системы (а) и двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью В и А в твердом и жидком состояниях (б):

L – жидкий раствор; α – твердый раствор В в A; L + α – двухфазная область; е – сплав заданной концентрации 25 %-ного В при данной температуре Т₁

Эта диаграмма состояния сплавов имеет две вертикальные шкалы температур, соответствующие по концентрации первому А и второму В компонентам (рис. 6). Каждая точка на диаграмме состояния характеризует состояние сплава данной концентрации при данной температуре; каждая вертикаль – соответствует сплаву данной концентрации, рассматриваемому при различных температурах.