Глава 1.Крісталліческое будова і властивості металів і сплавів
Кристалічна будова металів
Основними конструкційними матеріалами в даний час є метали і їх сплави. Металами називаються тверді кристалічні тіла, які мають характерний металевий блиск і володіють високими показниками теплопровідності, електропровідності, пластичності.
У твердому стані метали мають кристалічну будову, яке характеризується впорядкованим розташуванням атомів (іонів) в просторі з утворенням кристалічних решіток. Найбільшого поширення мають три типи кристалічних решіток:
· Об'ємно-центрована кубічна решітка - ОЦК (рис. 1.1), а - параметр решітки (відстань між двома сусідніми атомами, виміряний вздовж ребра). Таку решітку мають метали: Fe Ti, Cr, Мо та ін .;
· Гранецентрированная кубічна решітка - ГЦК (рис. 1.2). Таку решітку мають метали: Fe, Сі, Ni, і ін.
· Гексагональная щільноупакована решітка - ГПУ (рис. 1.3). Таку решітку мають метали: Mg, Ti і ін.
Мал. 1.1. ОЦК решітка
Деякі метали змінюють свою грати в залежності від температури. Це явище називається поліморфізмом або аллотропией. Кожна поліморфна модифікація позначається буквами грецького алфавіту.
Так, поліморфізм властивий залозу. Зміна решітки заліза відбувається при температурі 911 ° С. Модифікація заліза, яка існує при температурі нижче 911 ° С, має грати ОЦК і позначається Feα, а модифікація, яка існує при температурі вище 911 ° С, має грати ГЦК, і позначається Feγ. Це саме можна сказати і до титану. Титан, має грати ГПУ, позначається Tiα, а титан має грати ОЦК позначається Tiβ.
Поліморфізм має велике практичне значення. На використанні цього явища засновані способи зміцнення і знеміцнення сплавів за допомогою термічної обробки.
Процес утворення кристалічної решітки в металах, сплавах і неметалах називається кристалізацією. Вона буває первинною і вторинною. Первинна - це кристалізація з рідкого стану і вона властива всім металам, а вторинна - кристалізація з твердого стану і вона властива металам, для яких притаманне полиморфное перетворення, а також в разі зміни розчинності з виділенням надлишкових фаз в твердому стані. Процес кристалізації складається з двох стадій: I - утворення зародків (центрів кристалізації) (рис. 1.4, а); II - зростання кристалів.
Мал. 1.4. Схема процесу кристалізації металів і сплавів
На рис. 1.4 показано, як відбувається зародження і зростання кристалів: 1 - зародження кристалів; 2-4 - зародження нових і зростання утворилися раніше кристалів; 5-7 - зростання кристалів.
Кристали мають правильну форму і правильне внутрішню будову.
В результаті росту кристалів, між останніми відбувається зіткнення. Кристали набувають неправильну зовнішню форму, але зберігають правильне внутрішню будову. Такі кристали називаються кристаллитами або зернами. Їх можна побачити за допомогою оптичного мікроскопа. Процес кристалізації кількісно можна оцінити двома параметрами: швидкістю зародження центрів кристалізації [V3] і швидкістю їх росту [Vp]. V3 - це кількість центрів, які зароджуються в одиниці об'єму за одиницю часу [1 / мм3 · с], [1 / мм3 · хв]. Vp - це швидкість збільшення лінійних розмірів за одиницю часу [мм / с], [мм / хв].
Розміри утворилися кристалів залежать від співвідношення величин V3 і Vр. При великому значенні Vp і малому V3 утворюється невелика кількість великих кристалів. При малих значеннях Vp і великих V3 утворюється велика кількість дрібних кристалів.
Розмір зерен істотно впливає на властивості металів і сплавів на їх основі. Чим дрібніше розмір зерна, тим вище рівень властивостей. Існують наступні способи подрібнення зерна:
збільшення швидкості кристалізації;
модифікування - введення додаткових центрів кристалізації. В якості додаткових центрів кристалізації застосовують металеві порошки Ti, Mo, V і ін.
У більшості випадків процес кристалізації ускладнюється тим, що в напрямку більшого відводу тепла зростання кристалів відбувається швидше, ніж в інших напрямках. Це призводить до утворення кристалів деревовидної форми, які називаються дендритами (рис.
Рис.1.5. схема дендрита
Дендрит складається з осі першого порядку 1, від якої йдуть відгалуження (осі другого 2 і наступних порядків 3 і т.д. рис. 1.5).
1. Що таке метали?
2. Назвіть найбільш поширені типи кристалічних решіток.
3. Що таке поліморфізм?
4. Що таке кристалізація?
5. У чому відмінність первинної кристалізації від вторинної?
6. З яких стадій складається процес кристалізації?
7. Що таке зерно?
8. Які Ви знаєте кількісні параметри процесу кристалізації?
9. При якому співвідношенні кількісних параметрів процесу кристалізації можна отримати дрібне і велике зерно?
10. Як практично можна подрібнити зерно?
11. Що таке дендрит?