Кристаллическое строение и свойства металлов.

Кристаллическое строение и свойства металлов.

 

Характерные свойства металлов: прочность, пластичность, электро- и теплопроводность и д. р. обусловлены их строением на межатомном и внутриатомном уровне.

Металлы- кристаллы, т. е. упорядоченные структуры, в которых атомы не перемещаются относительно друг друга.

При тепловых процессах могут происходить перемещения, называемые диффузией.

Существуют разные типы кристаллических решеток, которые удерживаются металлическими связями. Металлической называется связь посредствам электронного газа, характерна для металлов.

Прочность металла зависит от прочности упаковки его кристаллической решетки и особенно строения атомов. Плотность упаковки определяется числом атомов, приходящихся на одну ячейку решетки.

Анизотропия

На различных направлениях кристалла находится разное число атомов, что приводит к анизотропии - различности свойств по различным направлениям в кристалле.

Обычно анизотропия наблюдается в пределах одного зерна (монокристалла), а металлы- поликристаллы. Поэтому реальные металлы без специальной обработки изотропны (“псевдоизотропия”).

Аллотропия

Способность изменять кристаллическое строение при определённой температуре, перестраивая тип элементарной ячейки.

Другое название-полиморфизм.

Fe –t₁=911°С – ОЦК ® ТЦК t₂=1392°С ® ОЦК до t₃=1539°С- (t плавления).

 

ОЦК – объемно – центрированная решетка

ГЦК - кубическая гранецентрированная решетка

 

 

Причиной перестройки является стремление любого вещества обладать min запасом свободной энергии, которая зависит от абсолютной Т.

Разные аллотропические формы металлов обозначаются буквами греческого алфавита a, b, γ и т. д. с ­ температуры перестройки.

Наличие у металлов полиморфных свойств имеет важное значение, т. к. при этом происходит изменение у металлов r, способность растворять другие элементы.

Именно благодаря полиморфизму сплавы на основе Fe, Ti и других металлов можно подвергать термической обработке для изменения их свойств.

Дислокационные механизмы упругопластической деформации

При пластической деформации необратимо изменяется форма и размеры детали.

Под действием силы Р зерна расслаиваются на пачки скольжения, которые смещаются относительно друг друга, что приводит к вытягиванию зерен в волокна. При этом происходит разрастание дефектов, которые, даже разрывая только одну межатомную связь, приводят к  смещению остальных, увеличивая пластическую деформацию.

 

Р ­          ­ Р                        ­ Р

 

      

   Р ¯          ¯ Р              ¯ Р

 

Мелкозернистая структура металла более прочна, т. к. чем мельче зерно, тем больше площадь его границ и тем больше сопротивление пластической деформации.

Размерами зерен можно управлять путем изменения условий кристаллизации или применение термической обработки.

Наклёп металлов

Известно, что после ковки холодного металла возрастает его прочность и твёрдость. В то же время он становится хрупким. Это явление получило название “наклеп” – это и процесс и результат.

Происходит это с ростом плотности дислокации, но с ­ r ¯ запас пластичности, возникают зародыши трещин, т. е. наступает начальная стадия разрушения.

Наклепанные металлы прочнее, но более хрупкие. При наклепе ¯r, теплопроводность и электрическая проводимость. Обычно используется для поверхностного упрочнения деталей, так их подвергают холодной обработке давлением твердыми роликами для понижения износа и предотвращения усталостного разрушения.

Из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

Чтобы увеличить прочность металла, необходимо либо уменьшить число дефектов за счет получения монокристалла, либо увеличить число дефектов, ограничивая их подвижность.

Известны следующие способы решения этих задач:

1. Легирование – введение специальных примесей, которые будут взаимодействовать с дислокациями и затруднят их продвижение.

2. Закалка, то есть нагрев выше температуры фазового превращения, выдержка и контролируемое быстрое охлаждение, которое приводит к росту дефектов, уменьшению размеров зерен, и, следовательно, к росту границ зерен, которые непроходимы для дислокаций.

3. Наклеп.

 

 

Гл. 2. Механические свойства материалов и методы их определения.

Испытание на твердость

Твердость – свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в его поверхность.

1. по Бринеллю определяют HB (число твердости)

HB = P/M = 2P/pD²[1- √1-(d/D)²] или если d/D = sin j/2

 

HB = P/D² [2/ U[1-√ 1-sin² j/2]]

 

Шарик D, отпечаток – d, Р- нагрузка, М-площадь поверхности сферического отпечатка.

Метод не применять для материалов с HB>250 из-за заметной деформации шарика из стали.

2. Метод Виккерса - с использованием алмазной четырехгранной пирамиды. Измеряют диагональ отпечатка.

 

НВ=P/M=(2Psina/2)/d1²=1.854P/d₁²

450HV10/15=P=10 кгс(98.1H)                                                        d1

 

t=15c-большая твердость

3. Метод Роквелла – алмазный конус

a=120° или стальной шар с d=1.6мм

Измеряют глубину отпечатка

HR, A, C, B-шар

конус  мелкие нагрузки для твердых материалов

50 HRC HRA (HRC) = 100-[(h-h0)/0.002]   HRB,130 - ….

Трещиностойкость

Трещиностойкость – свойство материалов сопротивляться развитию трещин при воздействии

Трещины возникают как результат металлургии, так технологические.

Критическая трещиностойкость - критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации в вершине трещины.

Принцип работы.

Используется диаграмма непрерывного вдавливания индентора, который можно аппроксимировать степенной зависимостью. r = adⁿ

r- нагрузка вдавливания

d- диаметр остаточного отпечатка

a, n- коэффициенты, характеризующие материал

А=аД^(n-2), а зависит от Д, n-коэффициент

И отсюда следует автоматизирование расчетов.

Исходя из диаграммы, по формулам определяют механические характеристики. Используя МЭИ-Т7, можно управлять измерениями дистанционно.

 

 

Гл. 3 Основы теории сплавов

Дислокационная структура наряду с фазовым составом является важнейшим фактором, предопределяющим прочность и другие свойства создаваемых металлических сплавов.

Создание металлических сплавов является первым этапом, во время которого в конструкционный материал должны быть заложены важнейшие предпосылки для формирования оптимальной дислокационной структуры и хорошего металлургического качества на всех последующих этапах.

 

 

Металлические сплавы

Сплавы – сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких простых веществ, называемых компонентами.

При сплавлении компоненты доводят до плавления, а при спекании их порошки смешивают и подвергают давлению при высокой температуре.

Сплав является металлом, если его основу (>50%) составляют металлические компоненты.

Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и другими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами. Поэтому получили самое широкое распространение в качестве конструкционных материалов.

Особенности строения двойных сплавов позволяют оценивать свойства многокомпонентных т.к. их основу обычно составляет двойной сплав с добавками (сталь-железо + углерод легирован Fe+C+ редкоземельный металл).

Виды двойных сплавов

При взаимодействии компоненты сплавов создают различные структуры в зависимости от особенностей строения компонентов:

1. смеси своих зерен с пренебрежимо ничтожной взаимной растворимостью
2. неограниченно или частично растворяются друг в друге
3. образовывают химические соединения

Смеси состоят из чистых зерен компонентов, сохраняющие присущие им типы кристаллических решеток и прочностные свойства.

 

 

При растворении образуются твердые растворы из зерен, кристаллическая решетка которых построена из атомов обоих компонентов.

 

 

Раствор замещения возможен, когда имеют аналогичные типы кристаллических решеток и равные размеры.

Раствор внедрения при маленьком d одного из компонентов (требуется меньше энергии).

При неограниченной растворимости образуются растворы замещения.

Если же растворимость компонентов различна, то возможны 2 случая за пределами растворимости:

1. смеси зерен ограниченных твердых растворов обоих компонентов друг в друге
2. смеси зерен ограниченных растворов + химические соединения компонентов

Связи в твердых растворах замещения - металлические

Связи в твердых растворах внедрения – металлические + ковалентные

Ковалентные связи сильнее металлических, поэтому тип связей предопределяют их свойства (например, прочностные).

Химические соединения имеют специфическую кристаллическую решетку, отличную от решеток компонентов. Связь между атомами сильнее металлической, поэтому данные вещества твердые и хрупкие.

Если химические соединения не диссоциируют при повышении температуры до температуры плавления, то их рассматривают как самостоятельные компоненты, которые способны образовывать сплавы с компонентами сплава.

Металлические сплавы делятся на 4 вида (рода):

1) смесь зерен компонентов

2) неограниченные твердые растворы

3) с ограниченной растворимостью компонентов

4) с устойчивым химическим соединением

 

Заключение.

Поняв положения теории сплавов, можно создавать сплавы различного назначения, целенаправленно закладывать в них такие факторы, которые позволяют на последующих этапах технологической обработки формировать в сплавах требуемые дислокационные структуры и необходимые комплексы механических и других свойств.

 В кристаллических решетках твердых растворов интенсивность межатомного воздействия значительно выше, чем в решетках составляющих его компонентов. В связи с этим образуются высокостабильные фазы с повышенной прочностью, более высоким сопротивлением коррозии и замедленными диффузионными процессами. Это имеет определяющее значение при создании легированных сталей и сплавов различного целевого назначения.

Используя диаграмму состояния определяют температурный интервал для горячей обработки давлением и для различных видов термической обработки. Так, нагрев стальных заготовок и отливок возможен только в строго определенных пределах не выше температуры солидуса, т.к. возможен перегрев и укрупнение зерен. При ковке нагрев должен быть достаточно высок, т.к. иначе возникнут трещины и возможен наклеп.

 

Кристаллическое строение и свойства металлов.

 

Характерные свойства металлов: прочность, пластичность, электро- и теплопроводность и д. р. обусловлены их строением на межатомном и внутриатомном уровне.

Металлы- кристаллы, т. е. упорядоченные структуры, в которых атомы не перемещаются относительно друг друга.

При тепловых процессах могут происходить перемещения, называемые диффузией.

Существуют разные типы кристаллических решеток, которые удерживаются металлическими связями. Металлической называется связь посредствам электронного газа, характерна для металлов.

Прочность металла зависит от прочности упаковки его кристаллической решетки и особенно строения атомов. Плотность упаковки определяется числом атомов, приходящихся на одну ячейку решетки.

Анизотропия

На различных направлениях кристалла находится разное число атомов, что приводит к анизотропии - различности свойств по различным направлениям в кристалле.

Обычно анизотропия наблюдается в пределах одного зерна (монокристалла), а металлы- поликристаллы. Поэтому реальные металлы без специальной обработки изотропны (“псевдоизотропия”).

Аллотропия

Способность изменять кристаллическое строение при определённой температуре, перестраивая тип элементарной ячейки.

Другое название-полиморфизм.

Fe –t₁=911°С – ОЦК ® ТЦК t₂=1392°С ® ОЦК до t₃=1539°С- (t плавления).

 

ОЦК – объемно – центрированная решетка

ГЦК - кубическая гранецентрированная решетка

 

 

Причиной перестройки является стремление любого вещества обладать min запасом свободной энергии, которая зависит от абсолютной Т.

Разные аллотропические формы металлов обозначаются буквами греческого алфавита a, b, γ и т. д. с ­ температуры перестройки.

Наличие у металлов полиморфных свойств имеет важное значение, т. к. при этом происходит изменение у металлов r, способность растворять другие элементы.

Именно благодаря полиморфизму сплавы на основе Fe, Ti и других металлов можно подвергать термической обработке для изменения их свойств.