Главная страница

Лекция 1_Основы строения металлов. Лекция Тема 1 Основы строения металлов. Рассматриваемые вопросы Атомнокристаллическое строение металлов


Скачать 141.99 Kb.
НазваниеЛекция Тема 1 Основы строения металлов. Рассматриваемые вопросы Атомнокристаллическое строение металлов
АнкорЛекция 1_Основы строения металлов.docx
Дата27.04.2017
Размер141.99 Kb.
Формат файлаdocx
Имя файлаЛекция 1_Основы строения металлов.docx
ТипЛекция
#4365

Лекция 1.

Тема 1: Основы строения металлов.
Рассматриваемые вопросы:


  1. Атомно-кристаллическое строение металлов.

    1. Введение в металловедение.

    2. Металлы, особенности атомно-кристаллического строения.

    3. Классификация видов кристаллических решеток.

    4. Анизотропия.

    5. Аллотропия или полиморфные превращения.

    6. Магнитные превращения.




  1. Строение и дефекты реальных металлов.

    1. Строение реальных металлов.

    2. Дефекты строения металлов.

      1. Точечные дефекты.

      2. Линейные дефекты.




  1. Кристаллизация чистого металла.

    1. Кристаллизация металлов.

    2. Строение слитка.

    3. Методы исследования металлов.



1.1 Введение в металловедение.


Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материала в тесной связи с их свойствами.

Целью преподавания дисциплины является научить будущих инженеров применять основные методы управления конструкционной прочностью материалов и проводить обоснованный выбор материала для изделий с учетом условий их эксплуатации.

Материаловедение - это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.

Все материалы характеризуются основными физическими и механическими свойствами, от которых, в свою очередь, зависят технологические и эксплуатационные свойства, а также зависит область применения материалов в технике.

Традиционно материалы можно разделить на две основные группы –металлы и неметаллы.

Основная часть материаловедения - металловедение, в развитии которого, ведущую роль сыграли российские ученые: Аносов П.П., Чернов Д.К., Курнаков Н.С., Гуляев А.П. и другие.

1.2 Металлы, особенности атомно-кристаллического строения.


Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств обусловленных особенностями своего строения: «металлический блеск» (хорошая отражательная способность); пластичность; твердость; высокая теплопроводность; высокая электропроводность и т.д.

Согласно теории металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием свободных электронов «электронного газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком называемым кристаллическая решетка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла.



Рис.1.1. Схема кристаллической решетки

1.3 Классификация видов кристаллических решеток.


Классификация возможных видов кристаллических решеток насчитывает четырнадцать видов. Основными типами кристаллических решеток у металлов являются:

1.Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре.

2.Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис.1.2б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней.

3.Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник, атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру оснований (углерод в виде графита). У плотноупакованной решетки (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).



Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая;б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

1.4 Анизотропия.




Рис 1.3. Кристаллографические плоскости

Неодинаковость свойств кристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией. Следовательно, отдельный кристалл - тело анизотропное. Но на практике дело обычно имеют с поликристаллическими телами, состоящими из большого количества различно ориентированных друг к другу мелких кристаллов, образующих кристаллиты или зерна. Поэтому анизотропия в поликристаллическом теле не имеет ярко выраженного характера и свойства как бы усредняются во всех направлениях благодаря различной ориентации мелких кристаллов. В этом случае поликристаллическое тело становится изотропным подобно аморфным телам и приобретает одинаковые свойства во всех направлениях.

1.5 Аллотропия или полиморфные превращения.


Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.

Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию. Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).

Fe: t<911* – ОЦК - α ;

911*
1392*1539*– ОЦК - α ; (высокотемпературное превращение)

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки. Полиморфные превращения сопряжены с изменением компактности кристаллической решетки и изменением объема вещества. Переход железа из α- в γ-модификацию при температуре примерно 911 °С сопровождается изменением объема на 1,6 %. Плотность γ-железа на 1,05 % больше плотности α-железа, а удельный объем γ-железа соответственно меньше.

1.6 Магнитные превращения


Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы. При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определенной температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – 768 градусов). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

2.1 Строение реальных металлов.


Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается.

2.2 Дефекты кристаллического строения.


В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:

• точечные – малые во всех трех измерениях;

• линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;

• поверхностные – малые в одном измерении.

2.2.1 Точеные дефекты


Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, примесей и дислоцированных атомов. (рис.1.4.)



Рис.1.4. Точечные дефекты

А) Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность, в результате пластической деформации. Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться и объединяться. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Б) Примесные дефекты всегда присутствуют в металле. Размер дефекта зависит от размера атома примеси разместившегося в узле кристаллической решетки или дислоцированного в междоузлиях.

В) Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что не приводит к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии.

Под воздействием внешних факторов (температура, давление) в кристаллической структуре металла, возникает перемещение точечных дефектов по материалу способствующее объединению их в группы- дислокации. Как правило дислокации образуются в процессе кристаллизации, при деформациях, при термической обработке.

2.2.2 Линейные дефекты.


Дислокация – это линейные дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Простейшие видами дислокаций являются краевые и винтовые.

Впервые априорное представление о краевых дислокациях использовано в 1934 году Орованом и Тейлером.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край «лишней» полуплоскости (экстраплоскости) (рис. 1.5)



Рис. 1.5. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)



Рис. 1.6. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации.

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 1.6).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная (׀), если в нижней, то – отрицательная (׀). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация, которая является следствием сдвига параллельных атомных слоев. Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.



Рис. 1.7. Механизм образования винтовой дислокации

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.

Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м3

(см-2; м-2)

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала.Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 1.8). С уменьшением плотности сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. На практике повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение.



Рис. 1.8. Влияние плотности дислокаций на прочность.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее напряжения, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость.

3.1 Кристаллизация металлов.


Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном.

Рассмотрим переход металла из жидкого состояния в твердое.

Границей перехода от твердого состояния к жидкому и обратно в металлах принята температура ТS – равновесная или теоретическая температура кристаллизации. В соответствии с этим вещество с температурой выше ТS должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом. При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго.

Для начала процесса кристаллизации необходимо охлаждение жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров. Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рис.1.9.



Рис.1.9. Кривая охлаждения чистого металла

До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.



Рис.1.10. Модель процесса кристаллизации

Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.

Качественная схема процесса кристаллизации может быть представлена количественно кинетической кривой (рис.1.11).



Рис. 1.11. Кинетическая кривая процесса кристаллизации

Процесс вначале ускоряется, пока столкновение кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем жидкой фазы, в которой образуются кристаллы уменьшается. После кристаллизации 50 % объема металла, скорость кристаллизации будет замедляться. Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

3.2 Строение металлического слитка.




Рис. 1.12. Схема стального слитка.

Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.1.12.

Слиток состоит из трех зон:

1. мелкокристаллическая корковая зона;

2. зона столбчатых кристаллов;

3. внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения, образуется большое число центров кристаллизации, кристаллизуясь образовывая мелкозернистую структуру.

Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы (форма), образуются древовидные кристаллы – дендриты (рис.1.13). Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

Так как теплоотвод, от не закристаллизовавшегося металла, середины слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.

Исходя из условия повышения прочности материала стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.



Рис.1.13. Схема дендрита по Чернову Д.К.

Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы.

По механизму воздействия различают:

1. Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.

2. Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

3.3 Методы исследования металлов: структурные и физические.


Металлы и сплавы обладают разнообразными свойствами. Используя один метод исследования металлов, невозможно получить информацию о всех свойствах.

Используют несколько методов анализа.

  1. Определение химического состава

Для определения химического состава используются методы количественного анализа- спектральный и рентгеноспектральный. Второй метод более точный.

  1. Изучение структуры. Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.

  • Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.

  • Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых и электронных микроскопов. Увеличение – 50…100000 раз.

  • Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций.

  1. Физические методы исследования

  • Термический анализ основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Данный метод позволяет определить критические точки.

  • Дилатометрический метод. При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергииколебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы. Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.

  • Магнитный анализ. Используется для исследования процессов, связанных с переходом из паромагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.

написать администратору сайта