Лекции по "Материаловеденю"

Энергия кристаллической решетки определяется как энергия, выделяющаяся при образовании кристалла из ионов, атомов или других частиц, образующих кристалл, когда исходное состояние этих частиц газообразное. От величины энергии решетки зависят такие свойства, как температура плавления, модуль упругости, прочность, твердость и др. Увеличение валентности атомов приводит к увеличению энергии решетки.

Для большинства металлов наиболее характерны три типа кристаллических  решёток: кубическая объёмно-центрированная (О.Ц.К.), кубическая гранецентрированная (Г Ц.К.) и гексагональная (Г.П.У.). Менее распространены ромбоэдрическая, тетрагональная и более сложные решетки.

В кубической объёмно-центрированной (О.Ц.К.) решетке атомы располагаются в узлах ячейки и один атом - в центре объёма куба (W, V, Cr и др.).

В кубической гранецентрированной решётке (Г.Ц.К.) атомы расположены в узлах куба и в центре каждой грани (РЬ. Ni. Ag. А1. Pd. Pt. Си и др.).

В гексагональной плотно упакованной решётке (Г.П.У.) атомы расположены в узлах и в центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы (Mg. Cd. Re. 08. Zn и др.).

    Некоторые металлы  могут существовать в нескольких  формах (Ti. Со. Zr. Fe). Это явление носит название аллотропии (полиморфизма). Так, железо при нагреве претерпевает ряд аллотропических превращений при температуре:

1) 1539-1400 ос железо имеет решётку О.Ц.к. с расстоянием между атомами 2,93 А (А= 10-9 мм) и обозначается Fe ;

2) 1400-910 ОС имеет решётку Г.Ц.К. с параметром 3,6 А и обозначается Fe (немагнитно);

3) 910-768 ОС - имеет решетку О.Ц.К. с параметром 2,93 А и обозначается Fe (немагнитно);

4) > 768 ос Fe превращается в магнитное Fe .. Стабильность модификаций при определённой температуре и давлении определяется значением термодипамического потенциала:

                                Z = Н- ST,

где Н - энтальпия при 0 К равна энергии связи (имеет знак минус); s - энтропия - равна энергии колебания элементарных частиц в узлах решётки и энергии поступательного движения валентных электронов при тепловом возбуждении.

Более стабильной при данной температуре  будет модификация, имеющая меньшее  алгебраическое значение термодинамического потенциала (что может быть достигнуто либо за счёт большой энергии связи, либо из-за большой энтропии).

В металлических кристаллах плотноупакованной  структуры ГПУ и ГЦК атомы  имеют большую энергию связи  и устойчивы при низких температурах. Более «рыхлая» структура ОЦК имеет большую энтропию, вследствие большей амплитуды атомов и потому устойчива при повышенных температурах.

Вследствие неодинаковой плотности  атомов в различных плоскостях и  направлениях решётки многие свойства (химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления. Указывая физические или механические свойства кристалла, необходимо дополнительно указывать направление, к которому эти свойства относятся. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией. Наличие анизотропии приводит к необходимости введения определённой системы в обозначении направлений и плоскостей.

Рассмотрим основные направления  на примере кубической решётки (рис. 3).

Индексы осей решетки Х-[100]. У-[010]. Z-[00l]. Индексы пространственных диагоналей [111], [110].

Рис.3. Кристаллографические индексы направлений (а) и плоскостей (б,в) в кубических решётках

 

 

В Г.Ц.К. плоскость с  наиболее плотным расположением  атомов будет плоскость октаэдра ([111], в О.Ц.К [110], для Г.П.У. - плоскость базиса [100]. По этим плоскостям смещаются атомы при пластической деформации кристалла (плоскости скольжения).

Технические металлы  являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллитов. В большинстве случаев кристаллиты статистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому, поэтому во всех направлениях свойства более или менее одинаковы, т.е. поликристаллическое тело является изотропным.

Таким образом, монокристалл - тело анизотропное, т.е. его свойства зависят от направления, тогда как поликристаллическое тело в большинстве случаев изотропно.

Свойства сплавов зависят  от образующейся в процессе кристаллизации структуры. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей - центров кристаллизации. Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Пока зародыши растут свободно, они имеют геометрически правильную форму и отличаются друг от друга размерами и различной ориентировкой. Как только растущие кристаллы соприкасаются, тогда их правильная форма нарушается. В результате, полученные кристаллы при правильном внутреннем строении имеют различную внешнюю форму, зависящую от условий кристаллизации.

Кристаллы неправильной формы называются зёрnамu. 3ёрна отличаются различной ориентацией кристаллических решеток; размер зёрен составляет от 1 до 10000 мкм. 3ёрна повернуты относительно друг друга на десятки градусов.

На границах зёрен  имеется повреждённый переходный слой толщиной порядка нескольких атомных слоёв, свойства и химический состав которого может отличаться от сердцевины. В реальном кристалле всегда имеются дефекты строения, которые по геометрическим признакам подразделяются на точечные, линейные и плоскостные. Концентрация дефектов в реальных кристаллах возрастает после закалки, деформирования и других видов обработки.

К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы и примесные атомы, рис. 4а). Точечные дефекты непрерывно перемещаются в решётке. Все точечные дефекты искажают кристаллическую решётку, увеличивают электросопротивление материала.

Рис.4. Точечные (а), линейные (б) и плоскостные (в) дефекты

 

 

К линейным дефектам относятся смещение атомных плоскостей или дислокации и цепочки вакансий (рис. 4б). Важнейшим свойством таких дефектов являются их подвижность внутри кристалла и активное взаимодействие между собой и с другими дефектами. Плотность дислокаций в кристаллах велика. В полупроводниковых кристаллах плотность их достигает 10⁴-10⁵ см-², в отожжённых металлах -10⁶-10⁸ см-², при холодном пластическом деформировании -10¹¹-10¹²см-²•

Плоскостные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или их блоками (субзёрнами), а также дефекты упаковки (рис. 4в). Граница зёрен представляет собой переходную область, в которой решётка одного кристалла переходит в решётку другого кристалла. Переходный слой имеет сложное строение, в нём нарушена правильность расположения атомов. Кроме того, по границам зёрен концентрируются примеси, что ещё больше нарушает правильный порядок расположения атомов.

Границы зёрен влияют на многие механические характеристики, во-первых, потому, что  они мешают двигаться дислокациям; во-вторых, потому, что на границах концентрируются  примеси.

 

 

 

1.3 СТРОЕНИЕ СПЛАВОВ

Чистые металлы почти  не применяют в качестве конструкционных  материалов, так как они не всегда удовлетворяют требованиям конструкционной  прочности.

Если чистые металлы  легировать другими металлами или  металлоидами, то получаются сплавы с требуемыми свойствами. Сплавы обычно состоят из двух или более основных элементов, называемых компонентами. По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т.д. В сплаве кроме основных компонентов могут быть и примеси. Примеси бывают полезные, улучшающие свойства сплава и вредные, ухудшающие его свойства. Металлические сплавы имеют кристаллическое строение.

При кристаллизации сплавы могут быть получены в виде механической смеси, твёрдого раствора, химического соединения.

Механические смеси образуют металлы, отличающиеся атомными объёмами и температурой плавления. Металлы, образующие такие сплавы, сохраняют свою кристаллическую решётку. Такое строение имеет сплав свинца с сурьмой. При рассмотрении шлифа этого сплава под микроскопом видны зёрна свинца и зёрна сурьмы.

Твёрдый раствор образуется тогда, когда компоненты сплава обладают взаимной растворимостью друг в друге как в жидком состоянии, так и в твёрдом. Твердый раствор – однородное (однофазное) кристаллическое тело, имеющее один тип кристаллической решётки. Различают два основных вида твёрдых растворов: замещения и внедрения.

В твёрдых растворах замещения  атомы растворенного компонента замещают в решётке атомы растворителя. В твёрдых растворах внедрения  атомы растворенного компонента размещаются между атомами растворителя.

В химическом соединении компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, при этом образуется новая кристаллическая решётка.

Существует также ряд соединений, занимающих промежуточное положение  между твёрдыми растворами и химическими соединениями.

     Изучение любого сплава прежде всего начинается с построения и анализа диаграммы состояния соответствующей системы. Теоретическое и практическое значения диаграмм состояния очень велики. Пользуясь диаграммой состояния, можно установить возможность проведения термической обработки и её режимы, температуры литья, горячей пластической деформации и т.д.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение  фазового состояния сплавов данной системы в функции температуры и концентрации

 

 

5. ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ

                                     5.1. Основные фазы в сплавах на основе железа

Сплавы на основе железа (стали  и чугуны) в настоящее время  еще остаются основными конструкционными материалами. Более 90 % деталей изготовляется из этих материалов. Исходя из этого, изучению сплавов на железной основе отводится ведущее место.

Так как во всех технических сплавах  на основе железа имеется углерод, то изучение сплавов начинают с изучения строения и свойств железа и углерода и соединения железа с углеродом, так как углерод находится в большинстве сплавов.

Железо. Для железа характерен смешанный тип связей между атомами, что проявляется в высокой температуре плавления и высоком значении модуля упругости. Наличие высокого модуля упругости железа проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

а)                                                           б)

Рис. 5.1 - Микроструктура: а) очень чистого железа (х100); б) технического железа, содержащего малое количество углерода: феррит и третичный цементит по границам зерен (х250)

Абсолютно чистое железо неизвестно. Технически чистым считается  железо (ок. 99,85 % Fe) с содержанием  примесей 0,1...0,2 %, в том числе 0,02...0,05 % С. Такое железо называется армко-железо и производится для электротехнических целей в большом количестве. Железо кристаллизуется при 1539 °С (рис. 5.2) и имеет полиморфные превращения при двух температурах: 1392 и 911 °С.

Рис. 5.2 - Кривая охлаждения железа

При температурах ниже 911 °С существует Fe_a с решеткой о.ц.к. В интервале температур 911 и 1392 °С устойчиво Fe_g, с решеткой г.ц.к. Выше 1392 °С до температуры плавления (1535 ± 9) °С железо снова имеет решетку г.ц.к. и называется Fe_d. Ниже 768 °С железо ферромагнитно, выше — парамагнитно (точка Кюри железа).

Железо со многими  элементами образует твердые растворы. С водородом, азотом и углеродом  железо образует твердые растворы внедрения.

Особо следует рассмотреть  образование растворов углерода в железе. Растворимость углерода в железе существенно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо. Растворимость углерода в a-железе ничтожно мала (менее 0,02 %) и в сто раз больше (до 2,14 %) в g-железе.

Твердый раствор углерода и других элементов в a-железе называется ферритом, а в g-железе - аустенитом. Кристаллическую структуру аустенита можно себе представить как г.ц.к. решетку, состоящую из атомов железа, в которую внедрены меньшего размера атом углерода. Если бы все свободные места (поры) в г. ц. к. решетке были заняты углеродом, то это состояние характеризовала бы схема, изображенная на рис. 5.3, а. Но так как атом углерода больше размеров поры, то при попадании его в решетку железа последняя искажается и остальные поры становятся недопустимыми для других атомов углерода (рис. 5.3, б).

Рис. 5.3 - Твердый раствор  внедрения: а – кристаллическая  решетка при полном заполнении всех пор; б – кристаллическая решетка аустенита  

 

Со многими элементами железо образует металлические соединения, с углеродом и азотом железо образует фазы внедрения, карбиды, нитриды, которые  сильно упрочняют сплавы на основе железа.

Углерод. Углерод обладает полиморфным превращением: имеет гексагональный тип решетки (графит) (рис. 5.4, рис. 1.2) или решетку с координационным числом 4 (типа алмаза) (рис. 1.4).