Кристаллическое строение и кристаллизация металлов

Металлы - вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью и теплопроводностью, ковкостью, "металлическим" блеском, непрозрачностью и другими свойствами, обусловленными наличием вих кристаллической решетке большого количества не связанных с атомными ядрами подвижных электронов проводимости. Металлы можно представить в виде ионной кристаллической решетки, погруженной в "электронный газ", который, компенсируя электростатическое отталкивание ионов, связываетих в твердое тело. Металлическими свойствами обладают более 80 химических элементов и множество сплавов [27, с.796].

Вследствие кристаллического строения отдельно взятые кристаллы металлов и сплавов обладают свойством анизотропности (неодинаковость свойств в разных геометрических направлениях) в отличие от аморфных веществ, в которых атомы располагаются беспорядочно (смола, воск, стекло), и у которых свойства по всем геометрическим направлениям одинаковы (изотропность).

Соединяя воображаемыми линиями центры атомов металлов или сплавов, получают, в зависимости от расположения атомов, простые или сложные кристаллические решетки. Наиболее характерными для металлов являются: объемно-центрированная кубическая (ОЦК), состоящая из девяти атомов (рис.1); гранецентрированная кубическая (ГЦК), состоящая из 14 атомов (рис.2); гексагональная плотноупакованная (ГП), состоящая из 17 атомов (рис.3).

Расстояние между атомами называется параметром решетки и измеряется в ангстремах (1А = 10^-10 метра).

Металлы и сплавы могут находиться в твердом, жидком и газообразном агрегатном состоянии в зависимости от температуры и давления.

Процесс перехода металла (сплава) из жидкого в твердое состояние называется первичной кристаллизацией. В отличие от аморфных материалов, которые затвердевают при понижении температуры постепенно (см. кривую охлаждения аморфного вещества на рис.4), металлы кристаллизуются при постоянной температуре, называемой критической температурой фазового превращения или теоретической температурой кристаллизации Т_s. Практически же переход металла из жидкого состояния в твердое происходит при температуре Т_ф < Т_s, где Т_ф — фактическая температура кристаллизации. Разность температур Т_s – Т_ф = ΔТ называется степенью переохлаждения. Следовательно, фазовое превращение - это скачкообразный переход металла из одной фазы (твердой) в другую (жидкую) при постоянной температуре (горизонтальный участок кривой охлаждения металла на рис. 5). Температура не меняется потому, что отвод тепла охлаждения компенсируется теплотой, выделяемой самим металлом при кристаллизации.

Некоторые металлы при изменении температуры или давления меняют свою структуру (кристаллическую решетку) в твердом состоянии несколько раз. Это явление называется аллотропией или полиморфизмом (железо, марганец, никель, олово и др.).

Аллотропия заключается в том, что при определенных температурах в твердом металле возникают новые центры кристаллизации и одновременно происходит рост новых кристаллов, т.е. происходит процесс, аналогичный первичной кристаллизации. Формирование новой решетки сопровождается выделением тепла, поэтому на графиках будет наблюдаться еще один горизонтальный участок кривой охлаждения данного металла (см. диаграмму охлаждения чистого железа на рис. 6).

Рис. 6

Различные аллотропические формы одного и того же металла называются модификациями и обозначаются буквами греческого алфавита.

§ 3. Промышленные сплавы. Диаграмма состояния сплава "железо-углерод

В промышленности чистые металлы используются в ограниченных количествах. Это объясняется трудностью получения чистых веществ, а также низкими эксплуатационными свойствами чистых металлов. Поэтому в машиностроении главным образом используются сплавы.

Сплавы - это сложные металлы, представляющие собой сочетания простых веществ, называемых в этом случае компонентами. В качестве компонентов могут быть металлы и неметаллы. Кроне основных компонентов в сплаве могут присутствовать и примеси: полезные - улучшающие свойства сплава и вредные - ухудшающие эти свойства. Случайными называются примеси, попадающие в сплав случайно при его приготовлении, специальными называются примеси, которые вводятся специально для придания сплаву требуемых свойств.

Сплавы можно получить несколькимиспособами:

– сплавлением компонентов в жидком состоянии;

– спеканием компонентов методом порошковой металлургии;

– осаждением нескольких компонентов при электролизе водных растворов;

– конденсацией из парообразного состояния.

Кристаллическое строение сплава более сложное, чем чистого металла и зависит от взаимодействия его компонентов при кристаллизации. В зависимости от природы исходных компонентов могут образовываться следующие виды сплавови их совокупности:

– химическое соединение компонентов;

– твердый раствор компонентов;

– механическая смесь компонентов.

Химическое соединение образуется при сплавлении компонентов, вступающих в химическую реакцию при строго определенном количественном соотношении. При этом образуется совершенно новая кристаллическая решетка.

Твердые растворы - это твердые фазы, включающие в различных соотношениях атомы разных элементов в одной кристаллической решетке, при этом в кристаллической решетке основного компонента происходит замещение отдельных атомовна атомы другого компонента.

Механические смеси образуются в том случае, когда в процессе кристаллизации отсутствует взаимодействие между компонентами, т.е. нет взаимного растворения и нет химических соединений. Компоненты в механической смеси имеют собственные кристаллические решетки.

Все превращения, которые происходят в сплавахи их состояние в зависимости от концентрации и температуры, изображают в виде диаграмм состояния.

Диаграммы состояния сплавов, которые содержат более двух компонентов, очень сложны, поэтому мы рассмотрим диаграмму сплава, состоящего из двух компонентов - железа и углерода (рис. 7). Впервые эту диаграмму построил Дмитрий Константинович Чернов, открывший в 1866 г. - критические точки состояния сплава.

Оба элемента (железо и углерод) обладают аллотропией, поэтому в зависимости от температуры и концентрации они могут образовывать между собой различныехимические соединения, твердые растворыи механические смеси.

Сплавы железа с углеродом делятся на стали (содержание углерода до 2,14 процента) и чугуны (содержание углерода от 2,14 процента до 6,67 процента).

Линии диаграммы соответствуют фазовым превращениям. Фаза - однородная часть сплава, ограниченная от других частей поверхностью раздела.

Линия ACD - линия ликвидуса (от латинского ликвид - жидкий) - это линия начала первичной кристаллизации сплава. Выше этой линии железоуглеродистый сплав любой концентрации находится в жидком состоянии.

ЛинияАЕСF - линия солидуса (от латинского солид - твердый) — линия конца первичной кристаллизации. Ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии. Между линиями солидуса и ликвидуса сплавы имеют жидкотвердое (двухфазное) состояние.

ЛинияGSЕСF- линия начала вторичной кристаллизации сплавов в твердом состоянии.

ЛинияРК - конец вторичной кристаллизации сплавов.

В железоугдеродистых сплавах образуются следующие структурные составляющие:

1. Аустенит - твердый раствор углерода в γ-железе;

2. Феррит - твердый раствор углеродав α-железе;

3. Цементит - химическое соединение железа с углеродом Fe₃C (содержит 6,67 процентов углерода);

4. Перлит - механическая смесь феррита и цементита, которая образуется из аустенита при вторичной кристаллизации сплава в твердом состоянии и содержит 0,8 процента углерода;

5. Ледебурит - механическая смесь аустенита и первичного цементита, которая содержит 4,3 процента углерода.

Эвтектика - механическая смесь одновременно кристаллизирующихся компонентов.

Сталь с содержанием углерода 0,8 процента называется эвтектоидной, структура которой - перлит. Стали при содержании углерода менее 0,8 процента называются диэвтектоидными, при более 0,8 процента углерода - заэвтектоидными. Соответственно чугун с содержанием углерода 4,3 процента - эвтектоидный; 2,14 < С < 4,35% - доэвтектоидный; 4,3<С<6,67% - заэвтектоидный.

Критические точки диаграммы состояниясплава "железо-углерод";

А - температура плавления чистого железа (1539°С);

D - температура плавления цементитаFe₃C (1550°С);

G - температура аллотропического превращения Fe_γ Fe_β

E - характеризует предельную растворимость углерода вFe_γ(2,14% углерода при Т = 1130°С);

С - центр первичной кристаллизации;

S - центр вторичной кристаллизации.

Диаграммы состояния имеют большое практическоезначение. Имипользуются как руководящим материалом дляназначения режимов;1) при различных видах термической обработки для определения температуры нагрева, скорости охлаждения, охлаждающей среды и т.п.; 2) при определении температурных интервалов для горячей обработки металлов (ковке, штамповке, прокатке); 3) для определения температур плавления и кристаллизации в литейном и металлургическом производствах.

Дата добавления: 2014-12-07