Материаловедение Конспект лекций. Конспект лекций для студентов 2 курса бакалавриата направления 221700 Стандартизация и метрология
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС») МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Конспект лекций для студентов 2 курса бакалавриата направления 221700 «Стандартизация и метрология» очной и заочной форм обучения ШАХТЫ ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС» 2012 2 УДК 620.1(07) ББК 30.3я73 М341 Рекомендован к внутривузовскому изданию редакционно-издательским советом ЮРГУЭС Составитель: к.т.н., доц. кафедры «Прикладная механика и конструирование машин» С.Н. Байбара Рецензенты: к.т.н., доц. кафедры «Прикладная механика и конструирование машин» Ю.Е. Чертов к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Электрификация и автоматизация производства» ШИ (ф) ЮРГТУ (НПИ) В.А. Курнаков М341 Материаловедение : конспект лекций для студентов 2 курса ба- калавриата направления 221700 «Стандартизация и метрология» оч- ной и заочной форм обучения / составитель С.Н. Байбара. – Шахты : ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2012. – 78 с. Данный конспект лекций позволит студентам ознакомиться с про- граммой курса «Материаловедение», получить полное представление об изучаемой дисциплине. Использование конспекта лекций позволит закрепить материал, изу- чаемый на аудиторных занятиях, обеспечить самостоятельное изучение некоторых глав. УДК 620.1(07) ББК 30.3я73 Режим доступа к электронному аналогу печатного издания: http://www.libdb.sssu.ru © ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса», 2012 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ..................................................................................................4 ТЕМА 1. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ ................5 Лекция 1. Аморфные и кристаллические тела. Структурный анализ. Строение металлов и их свойства ................5 Лекция 2. Кристаллизация металлов и структура атомно- кристаллического строения. Анизотропия кристаллов ..................13 Лекция 3. Процесс кристаллизации металлов и сплавов. Строение металлического слитка .....................................................19 ТЕМА 2. ПОНЯТИЕ О ДИАГРАММАХ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ ................28 Лекция 4. Диаграмма состояния .........................................................28 Лекция 5. Термическая и химико-термическая обработка стали. Отжиг..................................................................................................37 Лекция 6. Закалка и отпуск стали ....................................................40 ТЕМА 3. МАТЕРИАЛЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ ........................45 Лекция 7. Металлические материалы..............................................45 7.1. Стали..................................................................................46 7.2. Чугуны ...............................................................................53 Лекция 8. Неметаллические материалы ..........................................56 8.1. Пластические массы и другие неметаллические материалы .................................................................................56 8.2. Резиновые материалы .......................................................63 Лекция 9. Композиционные материалы ..........................................64 9.1. Материалы порошковой металлургии.............................68 9.2. Свойства порошковых материалов..................................69 9.3. Методы изготовления порошковых материалов ............74 Библиографический список...................................................................77 4 ВВЕДЕНИЕ Материаловедение – наука о материалах, их строении и свойст- вах. Использование материалов всегда зависело от прочности, надёж- ности и долговечности выполненных из них деталей. Конструирование, изготовление, эксплуатация и ремонт машин и приборов связаны с машиностроительными материалами и их ис- пользованием. В связи с этим необходимо иметь представление: − о закономерностях формирования структуры материалов; − связях структуры и состава материалов с их эксплуатацион- ными характеристиками; − требованиях, предъявляемых к материалам на всех этапах жизненного цикла продукции; − возможностях вторичного использования материалов. Вопросы строения и свойств металлов, сплавов, неметалличе- ских материалов, горюче-смазочных материалов и эксплуатационных жидкостей, применяемых в конструкциях и необходимых для их экс- плуатации и ремонта, рассматривает материаловедение. Материалы – это исходные вещества для производства про- дукции и вспомогательные вещества для проведения производствен- ных процессов. Различают следующие разновидности материалов: − сырьё, или сырые материалы, которые подлежат дальнейшей переработке (железная руда на металлургическом заводе, нефть на нефтеперерабатывающем комбинате); − полуфабрикат – переработанный материал, который должен пройти одну или несколько стадий обработки, для того чтобы стать изделием, годным к потреблению. Готовая продукция одного производства может служить полуфабрикатом для другого. Для успешного решения многих практических задач необходимы сведения о современных способах получения и обработки материалов, их свойствах и рациональном приме- нении. 5 ТЕМА 1. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ Металлы всегда занимали особое место в жизни человека, это заметно даже в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, же- лезный века), на которые греки делили историю человечества в ар- хеологических находках металлических изделий (кованые, медные украшения, сельскохозяйственные орудия) и в повседневном исполь- зовании металлов и сплавов в современной технике. Металлы и их сплавы– являются важнейшими конструкцион- ными материалами, широко применяющимися в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в ос- новном их внyтpeнним строением, которые отличают их от других материалов и делают во многих случаях незаменимыми. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твёр- дым, хрупким, и наоборот. Для того чтобы сознательно изменять свойства металлов, необходимо знать основы их кристаллического строения. Как известно, все тела состоят из большого количества атомов, которые удерживаются силами сцепления, совершая колеба- ния большой частоты возле точек равновесия. Поскольку атомы раз- ных металлов различны, каждый металл имеет свои определённые свойства. Эти свойства зависят от расположения атомов между собой, характера их связей, от расстояния между ними. Если изменить рас- стояние между атомами или порядок их расположения, изменятся и свойства металла. Лекция 1. Аморфные и кристаллические тела. Структурный анализ. Строение металлов и их свойства Все существующие в природе твёрдые неорганические тела по своим свойствам делятся на два класса: кристаллические и аморфные. Кристаллические тела остаются твёрдыми, т.е. сохраняют свою форму, до вполне определённой температуры, при которой они пере- ходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идёт в обратном направлении. При этом температура плавления остаётся постоянной, а процесс плавления или кристаллизации происходит в течение неко- торого времени при постоянном значении температуры, о чём свиде- тельствует горизонтальный участок представленных графиков. 6 Рис. 1. Температурные кривые кристаллического и аморфного вещества Аморфными называют материалы, в которых расположение образующих их элементарных частиц (атомов или молекул) – хаотич- но, т.е. неупорядочено. При нагреве аморфные тела размягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем переходят в жидкое состояние. К числу таких материа- лов относятся пластмассы, стекло, керамики, резины. В аморфных телах – смоле, стекле, канифоли и т.п. – атомы рас- положены беспорядочно. В металлах они находятся в определённом геометрическом порядке, образуя кристаллы, поэтому металлы явля- ются кристаллическими телами. Металлы различаются не только по- рядком расположения атомов, но и кристаллической решёткой, кото- рая представляет собой воображаемую пространственную сетку, со- стоящую из элементарных ячеек, в узлах которой находятся атомы. Свойства кристалла зависят от электронного строения атомов и характера их взаимодействия, от пространственного расположения элементарных частиц, химического состава, размера и формы кри- сталлов. Все эти детали строения кристаллов описывает понятие «структура», другими словами – это внутреннее строение материала. В зависимости от размеров структурных составляющих и приме- няемых методов их выявления ис- пользуют такие понятия, как тонкая структура (субструктура), микро- и макроструктура. Рис. 2. Расположение атомов в кристаллическом (а) и аморфном (б) веществе а) б) 7 Макроструктура – строение, выявляемое невооружённым гла- зом или при небольших увеличениях с помощью лупы, при этом вы- являются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри и т.д., а также неравномерность распределения примесей в металле. Макроструктуру можно исследовать по излому и на специаль- ных макрошлифах. Изучение излома – наиболее простой метод выяв- ления кристаллического строения металлов. По излому можно судить о размере зерна, особенностях выплавки и литья, термической обра- ботки, а следовательно, и о некоторых свойствах металла. Вид излома используют в качестве критерия при определении склонности стали к хрупкому разрушению. Исследование макроструктуры, несмотря на простоту, является очень ценным методом изучения материалов. Макрошлиф – это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, тщательно обезжирена, протравлена раство- рами, содержащими щёлочи или кислоты, и рассматривается с помо- щью лупы. Научная цель макроанализа – установление закономерности влияния факторов на формирование макроструктуры. Макроанализ позволяет выявить форму, размеры и расположение зёрен в разных частях изделия, обнаружить макродефекты металла (раковины, по- ристость, газовые включения, расслоения). Микроанализвыявляет структуру металла или сплава по мик- рошлифам, приготовленным так же, как и для макроанализа, но до- полнительно отполированным до зеркального блеска. Шлифы рас- сматриваются в отражённом свете под оптическим микроскопом. Из- за различной ориентировки зёрен металла они травятся не в одинако- вой степени и под микроскопом свет также отражается неодинаково. Границы зёрен, благодаря примесям, травятся сильнее, чем основной металл, и выявляются более рельефно. В сплаве структурные состав- ляющие травятся также различно. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зёрен, структурные составляющие, неметаллические включения и их харак- тер – трещины, пористость и т.д., качество термической обработки. Зная микроструктуру, можно объяснить причины изменения свойств металла, она характеризует мелкие структурные составляющие, на- блюдение которых возможно с помощью оптических микроскопов с увеличением от 60 до 1500–2000 раз. 8 Микроанализ позволяет установить размеры и форму кристал- лов, их распределение, форму инородных включений и микропустот, ориентацию кристаллов и т.п. Тонкая структура – позволяет определить расположение эле- ментарных частиц в материале и электронов в атоме. Строение и свойства вещества на этом уровне определяются ти- пом связей между элементарными частицами. Различают три основ- ных типа связи: ионный, ковалентный и металлический. Образование ионной связи происходит путём передачи атомом одного элемента валентного электрона атому другого элемента. Это приводит к образованию положительного и отрицательного ионов, которые притягиваются друг к другу электростатически. Рис. 3. Основные виды атомных связей а – ионная связь; б – ковалентная связь; в – металлическая связь Образование ионной связи удобно рассмотреть на примере со- единения NaCl. Атом Na имеет один «лишний» валентный электрон. В то же время атому Cl, имеющему семь валентных электронов, для образования устойчивой оболочки, «не хватает одного электрона. Атом Na передаёт свой валентный электрон атому Cl, в результате образуется положительный ион Na + и отрицательный ион Cl, кото- рые, притягиваясь, создают ионную связь. Ионные кристаллы обычно хрупкие, довольно тугоплавкие, у них низкая тепло- и электропроводность. Ковалентный тип связи осуществляется обобществлением (объ- единением) валентных электронов соседних атомов. Типичным телом с такой связью является – алмаз, состоящий из атомов углерода с че- тырьмя валентными электронами. При довольно высокой механической прочности связи все кова- лентные кристаллы хрупкие, температура плавления, тепловые и электрические свойства колеблются у них в широком диапазоне. а) б) в) 9 Металлическая связь образуется следующим образом. На внеш- них оболочках атомов металлов находится меньше четырёх валент- ных электронов, слабо связанных с атомным ядром. Поэтому при близком расположении атомов валентные электроны легко теряют связь с отдельными атомами и становятся общими, т.е. коллективизи- руются. При этом атомы превращаются в положительно заряженные ионы, а освободившиеся электроны свободно перемещаются между периодически расположенными ионами, не принадлежа (в отличие от ковалентной связи) ни отдельному атому, ни какой-либо их малой группе. Металлическая связь является ненаправленной, благодаря чему при пластической деформации, связь между ионами не нарушается и разрушение не происходит. Ионы как бы плавают в облаке электрон- ного газа, образованного свободно перемещающимися электронами, что обусловливает высокую пластичность металлов. Наличие элек- тронного газа объясняет также высокую электро- и теплопроводность элементов с металлической связью. Металлы – вещества, обладающие высокой тепло- и электро- проводностью, ковкостью (пластичностью), блеском и другими свой- ствами, обусловленными наличием в них большого числа свободно перемещающихся электронов. Каждый металл отличается строением и свойствами, тем не ме- нее, по некоторым признакам их можно объединять в группы. Прежде всего, металлы по цвету можно разделить на чёрные и цветные. Чёрные металлыимеют тёмно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, отно- сительно высокую твёрдость и во многих случаях обладают поли- морфизмом (способностью менять кристаллическое строение). Цветные металлычаще всего имеют характерную окраску: красную, жёлтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твёрдостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Твёрдые вещества, как правило, имеют кристаллическое строение. Оно характеризуется правильным расположением частиц в строго определённых точках пространства. При мысленном соедине- нии этих точек пересекающимися прямыми линиями образуется про- странственный каркас, который называют кристаллической решёт- кой. 10 Различают следующие кристаллические решётки металлов с плотной упаковкой атомов: кубическую объёмно-центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную. В ячейке кубической объёмно-центрированной решётки атомы расположены в вершинах и центре куба. Такая ячейка содержит девять атомов (хром, вольфрам, ванадий, молибден, литий, а при определённых температу- рах – железо и другие металлы). Типы кристаллических решёток. Вещество может находиться в трёх состояниях: газообразном, жидком и твёрдом, и при опреде- лённых условиях (давлении р, температуре Т) переходить из одного состояния в другое. Подавляющее большинство металлов имеет объ- ёмно-центрированные решётки, гранецентрированные кубические решётки, либо гексагональные плотноупакованные. Краткие обозна- чения этих типов решёток – ОЦК, ГПУ и ГЦК соответственно. Кри- сталлические решётки характеризуются: 1) симметрией; 2) парамет- рами или периодами решётки; 3) координационными числами; 4) ба- зисом решётки. Координационным чис- лом (Z) называется число ато- мов, находящихся на наиболее близких и одинаковых расстоя- ниях от произвольно выбранно- го любого атома в решётке. Для ОЦК решёток Z = 8, для ГЦК и ГПУ – 12. Базисом решётки назы- вается количество атомов в од- ной элементарной ячейке. Для ОЦК решёток базис равен 2, для ГЦК – 4, для ГПУ – 6. Строение реальных металлов отличается от идеальных. В реаль- ных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразделяются по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхност- ные. Локальные несовершенства (дефекты) в строении кристаллов присущи всем металлам. Эти нарушения идеальной структуры твёр- дых тел оказывают существенное влияние на их физические, химиче- ские, технологические и эксплуатационные свойства. Без использова- ния представлений о дефектах реальных кристаллов невозможно изу- чить явления пластической деформации, упрочнение и разрушение сплавов и др. Рис. 4. Основные типы кристаллических решёток: а – объёмно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная а) б) в) 11 Наиболее дефектные участки в структуре – границы зёрен, т.е. места стыка зёрен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решётки: вакансии и дислокации. Де- фекты кристаллического строения удобно классифицировать по их геометрической форме и размерам. Точечными дефектами называются такие нарушения перио- дичности кристаллической решётки, размеры которых во всех трёх измерениях сопоставимы с размерами атома. К ним относят вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедре- ния (рис. 5). Рис. 5. Точечные дефекты решётки Рис. 6. Схема краевой и винтовой дислокаций Линейными дефектами называют такие нарушения в кристал- лической решётке, которые имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяжённость в третьем. Этот вид дефектов называется дислокациями(в пер. с англ. dislocation – смещение, сдвиг). Краевая дислокация образована краем «экстраплоскости» (лишней полуплос- кости). Винтовая дислокация, как и краевая, представляет собой резуль- тат как бы сдвижения части одного участка в кристалле относительно другого. Она соответствует оси спиральной структуры в кристалле, характеризуемом искажением, которое присоединяется к нормальным параллельным плоскостям, вместе формирующим непрерывную вин- товую наклонную плоскость (с одним периодом), вращающуюся от- носительно дислокации. Поверхностные дефекты малы только в одном направлении и имеют плоскую форму – это границы зёрен. Объёмныеимеют во всех трёх измерениях относительно боль- шие размеры – это поры, трещины. Структурные несовершенства (дефекты) в кристаллах возника- ют в результате кристаллизации металла, термической обработки, пластической деформации и оказывают существенное влияние на а) б) 12 упрочнение и разрушение металла при обработке. В кристаллической решётке реальных металлов имеются различные дефекты (несовер- шенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Чистые металлы получить технически очень трудно и по этой причине в металле присутствуют примеси различного происхожде- ния. В зависимости от природы примесей и условий попадания их в металл они могут быть растворены в металле или находиться в виде отдельных включений. Если атомы примесей значительно меньше атомов основного металла, то они образуют растворы внедрения, а если больше – то образуют растворы замещения. В том и другом слу- чаях решётка становится дефектной и искажения её влияют на свой- ства металла. Наличие дислокаций и несовершенство кристаллов, с одной стороны, оказывают ослабляющий эффект на металл, а при опреде- лённых условиях дефекты могут упрочнять металл. Поверхностные дефекты наблюдаются прежде всего на границах зёрен. Наклёп и рекристаллизация. При пластической деформации изменяется не только форма и размеры металла, но также его внут- реннее строение и механические свойства. Зёрна разворачиваются, деформируются и сплющиваются, вытягиваясь в направлении дефор- мации. Образуется волокнистая структура. При этом прочность и твёрдость металла повышаются, а пластичность и вязкость снижают- ся. Явление упрочнения металла при пластической деформации назы- вается наклёпом. Волокнистое строение и наклёп могут быть устра- нены при нагреве металла. Частичное снятие наклёпа происходит уже при небольшом нагреве (до 300…400 °С для железа). Но волокнистая структура при этом сохраняется. При нагреве до более высокой тем- пературы в металле происходит образование новых равноосных зё- рен. Этот процесс называется рекристаллизацией. Наклёп при этом снимается полностью. Если деформирование металла происходит при температуре, ко- торая выше температуры рекристаллизации, то наклёп после дефор- мации не возникает. Такая деформация называется горячей. При го- рячей деформации идут одновременно процессы упрочнения и рекри- сталлизации. Деформация, которая происходит ниже температуры рекристаллизации, называется холодной. 13 Лекция 2. Кристаллизация металлов и структура атомно-кристаллического строения. Анизотропия кристаллов Любое вещество может находиться в трёх агрегатных состояни- ях: твёрдом, жидком, газообразном. Подавляющие большинство металлов получают путём кристал- лизации из жидкого состояния. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому со- стоянию с минимумом свободной энергии. Состояние любого веще- ства определяется температурой и давлением. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое со- стояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии. Как известно, любая система обладает за- пасом внутренней энергии, которая формально состоит из двух час- тей – свободной энергии F и так называемой связанной энергии TS, тогда F=U- TS, где U – полная энергия; T – абсолютная температура системы; S – энтропия. Энтропия служит мерой внутреннего беспорядка (хаотичности) в расположении частиц системы. Равенство свободных энергий жид- кого и твёрдого состояний при температуре, равной T S , обусловливает их сосуществование – состояние равновесия. При температурах ниже T S будет происходить кристаллизация, а выше T S – плавление металла. В этой (•), равной Т S , жидкая и твёрдая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях на- ходится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одно- временно бесконечно долго. Температура Т S – равновесная или тео- ретическая температура кристаллизации. Рис. 7. Зависимость энергии Рис. 8. Зависимости вещества от температуры свободной энергии твёрдого и жидкого состояний вещества 14 Равновесное состояние – когда в сплаве все фазы, присущие этой системе, оформлены. Это состояние обеспечивается при медлен- ном охлаждении, можно различать размеры и формы фаз. Неравно- весное состояние – процесс образования и обособления фаз не закон- чился, образуется при быстром охлаждении. Изменение температуры приведёт к нарушению равновесия, окажется возможным переход вещества в фазу с меньшей свободной энергией. На кривой 1 показан идеальный процесс кристаллизации метал- ла без переохлаждения. Сначала температура понижается равномерно – кривая идёт вниз. При достижении температуры затвердевания паде- ние температуры прекращается – на кривой образуется горизонталь- ный участок. Рис. 9. Кривые охлаждения при кристаллизации: 1 – теоретическая кривая кристаллизации металла; 2 – кривая кристаллизации металла с переохлаждением; 3 – кривая кристаллизации неметалла Это объясняется тем, что группировка атомов идёт с выделени- ем тепла. По окончании затвердевания температура снова понижает- ся. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кри- сталлизуется при строго индивидуальной температуре. Практически кристаллизация протекает несколько иначе, так как часто имеет место переохлаждение, т.е. металл при температуре затвердевания остаётся жидким, и кристаллизация начинается при более низкой температуре. Разница между идеальной и истинной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения. Кривая 2 соответствует процессу кристаллизации с переохлаж- дением. 15 Кривая 3 характерна для кристаллизации неметаллов: нет чётко выраженной температуры кристаллизации, затвердевание происходит постепенно. Постоянная температура кристаллизации – это свойство, которое отличает кристаллическое тело от аморфного. Степень переохлаждения является важнейшим фактором, определяющим величину зерна. При большой скорости охлаждения степень переохлаждения больше и зёрна мельче. Рис. 10. Кривые охлаждения и плавления На участке кривой 1-2(см. рис. 10б)подвод тепла сопровожда- ется повышением температуры металла, сохраняющего свою кри- сталлическую решётку. На участке 2-3подвод тепла продолжается, но он не приводит к повышению температуры, т.е. подводимая энер- гия целиком расходуется на разрушение кристаллической решётки, переход атомов в неупорядоченное состояние. Внешне это проявляет- ся в переходе твёрдого состояния в жидкое. В точке 3 разрушаются последние участки кристаллической решётки, и продолжающийся подвод тепла вызывает повышение температуры жидкого металла (3-4). При охлаждении происходит обратный процесс. На участке 5-6 происходит кристаллизация, сопровождающаяся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаж- дении жидкости ниже температуры Т S . Появление площадки на кри- вой охлаждения обусловлено тем, что в момент появления первых кристаллов выделяется скрытая теплота кристаллизации, которая и компенсирует охлаждение. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристал- лизации называется переохлаждением, которое характеризуется сте- пенью переохлаждения ( T Δ ): кр теор Т Т Т − = Δ 16 Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степе- ни его загрязнённости (чем чище металл, тем больше степень переох- лаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).Следовательно, чем меньше за- грязнён металл, тем больше степень переохлаждения при кристалли- зации. Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склон- ностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются толь- ко восходящие ветви кривых. Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям неодинаковы. Поэтому механические, тепловые, электрические и оптические свойства кристаллов по разным направлениям оказываются различ- ными. Это свойство кристаллов называется анизотропией. Все кристаллы анизотропны, аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т.е. имеют одинаковую плотность атомов в различных направлениях. Физические свойства кристалла определяются не его цветом, а внутренним строением. Кристаллические тела также могут быть подразделены на моно- кристаллы и поликристаллы. Монокристалл – твёрдое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решётку. Определённый порядок в расположении частиц распространяется на весь объём мо- нокристалла. Упорядоченное внутреннее расположение частиц в мо- нокристалле приводит к тому, что и его внешняя форма является пра- вильной. Углы между внешними гранями монокристалла оказываются постоянными. К монокристаллам относятся природные кристаллы (кварц, алмаз, турмалин), крупинки соли, сахара, соды. Поликристалл – твёрдое тело, состоящее из беспорядочно ори- ентированных монокристаллов. Третьим видом твёрдого тела являются композиты. Атомы в композитах располагаются трёхмерно упорядоченно в определённой области пространства, но этот порядок не повторяется с регулярной периодичностью. Композиты, такие как дерево, бетон и др., состоят из различных, связанных друг с другом материалов. 17 Анизотропия свойств важна при использовании монокристал- лов – одиночных кристаллов, частицы которых расположены едино- образно по всему их объёму. Монокристаллы имеют правильную кри- сталлическую огранку (в форме естественных многогранников), ани- зотропны по механическим, электрическим и другим физическим свойствам. Рост кристаллов происходит по дендритной (древовидной) схеме, характеризующейся тем, что внача- ле к зародышам присоединяются все новые атомы жидкого металла в на- правлении, имеющем наибольшую плотность упаковки. В результате вырастают длинные ветви, которые называются осями первого порядка. По мере роста кристалла на осях первого порядка появляются и начи- нают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка и т.д., в последнюю очередь идёт кристаллизация в участках между осями. Дендриты растут до тех пор, пока не сопри- коснутся друг с другом. После этого окончательно заполняются меж- осевые пространства и дендриты, деформируя друг друга, превраща- ются в кристаллы с неправильной внешней огранкой. Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост заро- дышей происходит с неравномерной скоростью. Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют по- ликристаллическую структуру, т.е. состоят из множества мелких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами (или зёрнами). Зерно – это кристалл неправильной формы. Мелкое зерно явля- ется прочным, крупное – хрупким. Граница зёрен – это поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решётки различаются пространственной ориентаци- ей. Эта поверхность является двумерным дефектом. На границах зё- рен в процессе кристаллизации металла скапливаются различные примеси, образуются дефекты, неметаллические включения, оксид- ные плёнки. В результате металлическая связь между зёрнами нару- шается и прочность металла снижается. Состояние границ зёрен ме- талла оказывает большое влияние на их свойства. Рис. 11. Дендриты и зерна 18 Оптимальными условиями для получения мелкозернистой структуры необходимо: максимальное число центров кристалли- зации и малая скорость роста кристаллов. Размер зёрен при кри- сталлизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды. Чем больше частичек, тем мельче зёрна закристаллизовавшегося металла. Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, кото- рые увеличивают скорость кристаллизации. Чем больше скорость образования зародышей и меньше ско- рость их роста, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла. 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, препят- ствуют их росту. Величина зёрен зависит от числа центров кристаллизации и ско- рости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла. Величина зёрен, образующихся при кристалли- зации, зависит не только от количества самопроизвольно зарождаю- щихся центров кристаллизации, но также и от количества нераство- римых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. На образова- ние центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем вы- ше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристалли- зации и, следовательно, мельче зерно металла. В реальных условиях само- проивольное зарождение кристал- лов в жидком металле затруднено. Источником образования зароды- шей служат различные твёрдые частицы: неметаллические вклю- чения, оксиды, продукты раскис- ления. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно. Иногда в ме- талл специально вводят вещества, которые способствуют измельче- нию зерна. Эту операцию назы- вают модифицированием, а специально вводимые посторонние ве- щества – модификаторами. Рис. 12. Зависимость размера зерна от переохлаждения 19 Модифицирование – использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств. Лекция 3. Процесс кристаллизации металлов и сплавов. Строение металлического слитка Процесс перехода вещества из жидкого в твёрдое состояние на- зывается первичной кристаллизацией. Образование новых кристал- лов в твёрдом кристаллическом веществе называют вторичной кри- сталлизацией. Кристаллизация состоит в следующем. В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. При соответствующем понижении температуры в жидком ме- талле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллиза- ции, или зародыши. Свойства сплавов зависят от образующейся в процессе кристаллизации структуры. Процесс кристаллизации начи- нается с образования кристаллических зародышей – центров кри- сталлизации. Структура сплава зависит от формы, ориентировки кристаллических решёток в пространстве и скорости кристаллизации. Далее к этим центрам присое- диняются вновь образующиеся кри- сталлы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму. Затем при со- прикосновении растущих кристаллов их правильная форма наруша- ется, так как в этих участках рост граней прекращается. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энер- гии металла, в противном случае зародыш растворяется. Минималь- ный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш – устойчивым. Рис. 13. Схема кристаллизации металла 20 Нам известно, что все металлы в твёрдом состоянии имеют кри- сталлическое строение. Атомы в твёрдом металле расположены упо- рядоченно и образуют кристаллические решётки. Расстояния между атомами называют, как говорилось ранее, параметрами решёток и измеряют в нанометрах. С повышением температуры или давления параметры решёток могут изменяться. Некоторые металлы в твёрдом состоянии в различных температурных интервалах приобретают раз- личную кристаллическую решётку, что всегда приводит к изменению их физико-химических свойств. Это явление носит название поли- морфизма, или аллотропии. Перестройка кристаллических решёток при критических температурах называется полиморфными превра- щениями. Кристаллическое строение сплава более сложное, чем чис- того металла, и зависит от его компонентов при кристаллизации. А, как известно из сказанного ранее, компоненты в твёрдом сплаве могут образовывать твёрдый раствор, химическое соединение и ме- ханическую смесь. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов – изменение объёма металлов и растворимости углерода. Строение металлического слитка Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлажде- ния, характера и количества примесей. Чаще в процессе кристаллиза- ции образуются разветвлённые или древовидные кристаллы, полу- чившие название дендритов. Размер зерна в затвердевшем металле уменьшается с увеличени- ем степени переохлаждения ΔT. Поскольку величина ΔT пропорцио- нальна скорости охлаждения расплава V охл , то измельчение зерна мо- жет быть достигнуто ускорением охлаждения расплава. На величину зерна влияют все факторы, от которых зависит V охл . Такими факторами являются: температуры расплава и формы, в которую он заливается, объём и конфигурация формы, теплофизиче- ские свойства материала, из которого она изготовлена, и др. С этим связано, например, одно из важнейших преимуществ литья в метал- лические формы (кокиль) по сравнению с литьём в песчано-гли- нистые формы. Ускоренный отвод теплоты через стенки металлической формы увеличивает ΔT и, соответственно, обеспечивает получение мелкого зерна и более высоких механических свойств отливки. 21 По этой же причине размер зерна не одинаков по сечению от- ливки. Наиболее мелкое зерно в наружной, корковой зоне (рис. 13), где скорость охлаждения максимальная. Рис. 14. Схема кристаллического строения литого металла: 1 – стенка изложницы (формы); 2 – корковая зона; 3 – зона столбчатых кристаллов Со скоростью охлаждения связаны размеры и форма кристал- лов, примыкающих к корковой зоне отливки (зона столбчатых кри- сталлов). Они преимущественно растут перпендикулярно стенке формы в направлении наилучшего теплоотвода. В этом направлении создаётся наибольшее переохлаждение, способствующее образова- нию зародышей (растёт ΔF), а скорость роста достаточно высока, так как температура расплава и скорость диффузии повышаются от по- верхности к центру отливки. Поэтому и получаются крупные вытянутые кристаллы. В мас- сивных отливках возможно появление и третьей зоны крупных рав- ноосных кристаллов в центре отливки, где металл, равномерно осты- вая, затвердевает в последнюю очередь. Рассмотрим реальный процесс получения стального слитка. Стальные слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах) или на установках непрерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердеть одновременно во всём объёме из-за невоз- можности создания равномерной скорости отвода тепла. Поэтому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь жидкого металла. При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы (рис. 15) в начальный момент образуется зона мелких равноосных кристаллов 1. Так как объём твёрдого металла меньше жидкого, ме- жду стенкой изложницы и застывшим металлом образуется воздушная 22 прослойка и сама стенка нагревается от соприкосновения с металлом. Поэтому скорость охлаждения металла снижается, и кристаллы рас- тут в направлении отвода теплоты. При этом образуется зона 2, со- стоящая из древовидных или столбчатых кристаллов. В процессе дальнейшей кристаллизации направленность отвода теплоты теряется, скорость охлаж- дения значительно уменьшается, поэтому в центральной части слитка образуются крупные равноосные кристаллы. Во внутренней зоне слитка 3 образуются равноосные, неориентированные кристаллы больших размеров в результате за- медленного охлаждения. В верхней части слитка, кото- рая затвердевает в последнюю оче- редь, образуется усадочная рако- вина 4, вследствие уменьшения объёма металла при охлаждении. Жидкий металл имеет больший удельный объём, чем твёрдый, поэтому в верхней части слитка, которая застывает в последнюю оче- редь, образуется полость вследствие уменьшения объёма металла при охлаждении – усадочная раковина4,обычно окружённая наиболее загрязнённой частью металла. Верхнюю часть слитка отрезают и пе- реплавляют, а остальной металл подвергают обработке давлением. Под усадочной раковиной металл в зоне 5 получается рыхлым из-за большого количества усадочных пор, газовых пузырей. Для полу- чения изделий используют только часть слитка, удаляя усадочную раковину и рыхлый металл слитка для последующего переплава. Кристаллы в процессе затвердевания металла могут иметь раз- личную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их касания друг с другом, но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлаждения. Чаще всего в процессе кристаллизации образуются разветвлённые или древовидные кри- сталлы, получившие название дендритов. Рис. 15. Строение стального слитка 23 Рис. 16. Схема строения слитка Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древо- видные кристаллы – дендриты (рис. 16). Растут дендриты с направле- нием, близким к направлению теплоотвода. Зоны столбчатых кри- сталлов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называет- ся транскристаллизацией. По мере кристаллизации металла примеси оттесняются в жид- кую часть. Это предопределяет неравномерное распределение эле- ментов как в микрообъёме, так и в различных зонах слитка. Процесс изменения химического состава металла по сечению литой заготовки, появление неоднородности по химическому составу в различных час- тях отливки называется ликвацией. 24 В сплавах различают два основных вида ликвации: − внутрикристаллическую, когда неоднородность охватывает зёрна металла; − зональную, когда различные зоны отливки имеют различный химический состав. Она отрицательно влияет на механиче- ские свойства металла. На ликвацию оказывают значительное влияние химический со- став сплава и скорость остывания отливки. Чем крупнее отливка, тем медленнее происходит охлаждение и тем больше развивается зональ- ная ликвация. В тонкостенных отливках зональная ликвация развита меньше. При сочетании в литой конструкции тонких и толстых сте- нок ликвационные включения концентрируются в толстых частях от- ливок. Поэтому при конструировании литых деталей необходимо из- готовлять их с равномерной толщиной стенок или конструировать по принципу направленного затвердевания так, чтобы отливка затверде- вала снизу вверх. В этом случае ликвирующие примеси скапливаются в прибыли, затвердевающей в последнюю очередь. Ликвация представляет собой свойство сплавов распадаться при переходе из жидкого в твёрдое состояние на составные части или от- дельные соединения, которые имеют различные точки плавления. Металлы вообще сплавляются, т.е. растворяются одни в других. Одни из них, например золото и медь, сплавляются в различных пропорци- ях и на вид представляют однородное тело; другие же, например сви- нец и цинк, разделяются при медленном охлаждении. В случае лик- вации при застывании жидкого металла выделяются и затвердевают сперва самые тугоплавкие тела, затем менее тугоплавкие и, наконец, самые легкоплавкие. Чистые металлы обладают низкой прочностью, они слишком пластичны и поэтому практически не используются. Обычно исполь- зуют сплавы разных металлов, в качестве добавок используют и не- металлы. Для изучения процессов, происходящих в сплавах при их пре- вращениях, а также для описания строения сплавов в металловедении используют понятия: система, компонент, фаза. Сплавы – это сложные вещества, полученные сплавлением двух и более элементов. Элементами могут быть как металлы, так и неме- таллы. Эти элементы называются компонентами сплава. Компонент – вещество, образующее систему-сплав.Сплав имеет более сложное строение, чем его компоненты. Особенности строения структуры сплава зависят от характера взаимодействия компонентов. Состав- ляющие сплав компоненты могут вступать в химическое взаимодей- 25 ствие, образуя химическое соединение, или взаимно растворяться друг в друге, образуя растворы. Кроме того, часто сплавы представ- ляют собой механическую смесь зёрен веществ, образующих сплав. В зависимости от физико-механического взаимодействия ком- понентов в сплавах образуются различные фазы. Фазойназывают однородную часть системы, имеющую одина- ковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделённую от ос- тальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачкообразно. Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определён- ных внешних условиях (давлении, температуре), называют системой. Например, однородная жидкость (расплавленный металл) является однофазной системой, при кристаллизации чистого металла система состоит из двух фаз: жидкой (расплавленный металл) и твёрдой (зёр- на закристаллизовавшегося металла). Другой пример: механическая смесь двух видов кристаллов образует двухфазную систему, так как каждый кристалл отличен по составу или строению и отделён один от другого поверхностью раздела. Сплав называют однородным (гомо- генным), если его структура однофазна, и разнородным (гетероген- ным), если его структура состоит из нескольких фаз. Под структу- рой сплава понимают видимое в микроскоп взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Компоненты в сплавах могут составлять жидкие и твёрдые растворы, химические соединения и механические смеси. Компонентами могут быть металлы и неметаллы, а также ус- тойчивые, т.е. не диссоциирующие на составные части в рассматри- ваемых интервалах температур вещества – химические соединения. Так, для цветных металлических сплавов компонентами могут быть металлы (например, медь с цинком образует латунь), а для черных – металлы с небольшим содержанием неметаллов (железо с углеро- дом – чугун, сталь). Строение сплавов более сложно, чем строение чистого металла. В сплаве могут наблюдаться зерна чистых и других компонентов, твёрдых растворов и химических соединений. Чистый металл пред- ставляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов – двухкомпонентную систему и т.д.В сплаве кроме основных компо- нентов содержатся и примеси. Примеси бывают полезные, улучшаю- щие свойства сплава, и вредные, ухудшающие его свойства. Примеси бывают случайные, попадающие в сплав при его приготовлении, и специальные, которые вводят для придания ему требуемых свойств. 26 Металлическим сплавом называют сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий метал- лическими свойствами. Например, мягкая медь с добавлением олова превращается в более твёрдую бронзу. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического мате- риала. Необходимое условие существования сплава – растворимость компонентов в жидкой фазе хотя бы частично. Возможны и другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называют псевдоспла- вами. Сплав имеет более сложное строение, чем его компоненты. Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаи- модействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых со- отношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов. Составляющие сплав компоненты могут вступать в химическое взаимодействие, об- разуя химическое соединение, или взаимно растворяться друг в дру- ге, образуя растворы. В зависимости от характера взаимодействия компонентов раз- личают сплавы: 1) твёрдые растворы; 2) химические соединения; 3) механические смеси. Рис. 17. Микроструктура сплава Твёрдыми растворами называют сплав, у которого компонен- ты сплава взаимно растворяются один в другом. В твёрдом растворе один из входящих в состав сплава компонентов сохраняет присущую ему кристаллическую решётку, а второй компонент в виде отдельных атомов распределяется внутри кристаллической решётки. Твёрдые растворы разделяются на три типа: замещения, вне- дрения и вычитания. Независимо от типа твёрдые растворы одно- фазны. 27 Химическое соединение – компоненты сплава вступают в хи- мическое взаимодействие, при этом образуется новая кристаллическая решётка. Компоненты имеют определённое соотношение по массе. Механическая смесь – компоненты сплава обладают полной взаимной нерастворимостью и имеют различные кристаллические решётки. При этих условиях сплав будет состоять из смеси кристал- лов составляющих его компонентов и представлять собой смесь двух типов кристаллов – веществ А и В, отчётливо видимых на микро- структуре (рис. 17). Свойства сплавов зависят от образующейся в процессе кристал- лизации структуры. Процесс кристаллизации начинается с образова- ния кристаллических зародышей – центров кристаллизации. Струк- тура сплава зависит от формы, ориентировки кристаллических решё- ток в пространстве и скорости кристаллизации. Металлы и сплавы являются важнейшими конструкционными материалами, широко применяющимися в технике. Металлам, кроме блеска и пластичности, присущи высокие теплопроводность и элек- тропроводность. Получение химически чистых металлов связано со значитель- ными трудностями, а значения их механических характеристик не высоки. В связи с этим в технике повсеместно используются сплавы металлов. Так как сплавы получают обычно по металлургической техно- логии, твёрдому состоянию предшествует жидкое. Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием яв- ляется стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии. Основным отличием является большая роль диффузионных ∗ процессов между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти про- цессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, рав- номерно распределённых в жидкой фазе. Под диффузией понимают перемещение атомов в кристалличе- ском теле на расстояния, превышающие средние межатомные рас- стояния данного вещества. Если перемещения атомов не связаны с изменением концентрации в отдельных объёмах, то такой процесс на- зывается самодиффузией. Перемещение атомов, сопровождающееся изменением концентрации, происходит в сплавах или металлах с по- вышенным содержанием примесей и называется диффузией, или ге- теродиффузией. ∗ Диффузия – рассеивание, процесс переноса материи или энергии из области с высо- кой концентрацией в область с низкой (чернила и жидкость-окрашивание). 28 В сплавах в твёрдых состояниях, имеют место процессы пере- кристаллизации, обусловленные аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твёрдых растворов, выделением из твёрдых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твёрдом состоянии меняется с изменением температуры. Эти превращения называют фазовыми превращениями в твёр- дом состоянии. При перекристаллизации в твёрдом состоянии обра- зуются центры кристаллизации и происходит их рост. Обычно центры кристаллизации возникают по границам зёрен старой фазы, где решётка имеет наиболее дефектное строение и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы в течение некоторого времени имеются общие плоскости. Такая связь решёток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение проте- кает с образованием промежуточных фаз. Нарушение когерентности и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут опреде- лённые размеры. Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния. Итак, свойства сплавов (данного химического состава) опреде- ляются их структурой. Чтобы прогнозировать свойства какого-либо сплава, нужно знать его структуру. |