Кристалізація металів. Аллотропия металів і заліза.
Перехід з рідкого стану в тверде (кристалічна) називають кристалізацією. Процеси кристалізації залежать від температури і протікають у часі, тому криві охолодження будуються в координатах температура-час (рис. 1). Теоретичний, т. Е. Ідеальний процес кристалізації металу без переохолодження протікає при температурі Тs (рис. 1). При досягненні ідеальної температури затвердіння Ts падіння температури припиняється. Це пояснюється тим, що перегрупування атомів при формуванні кристалічної решітки йде з виділенням тепла (виділяється прихована теплота кристалізації). Кожен чистий метал (НЕ сплав) кристалізується при строго індивідуальної постійній температурі. Після закінчення затвердіння металу температура його знову знижується.
Мал. 1. Криві кристалізації металу при охолодженні з різною швидкістю
Практично кристалізація протікає при більш низькій температурі, т. Е. При переохолодженні металу до температур Тn. Tn1. Тn2. (Наприклад, криві 1, 2). Ступінь переохолодження (# 8710; T = Ts -Тn) залежить від природи і чистоти металу і швидкості охолодження. Чим чистіше рідкий метал, тим він більш схильний до переохолодження. При збільшенні швидкості охолодження ступінь переохолодження зростає, а зерна металу стають дрібніше, що покращує його якість. Для більшості металів ступінь переохолодження при кристалізації в виробничих умовах становить від 10 до 30 ° С. При великих швидкостях охолодження вона може досягати сотень градусів.
Деякі метали (залізо, титан, кобальт, цирконій і ін.) При різних температурах мають різні кристалічні решітки. Таке явище називається поліморфізмом або аллотропией. Процес переходу з одного кристалічної будови в інше називається поліморфним (аллотропическими) перетворенням.
Будова, що виходить в результаті поліморфного перетворення, називається аллотропическими формою. Аллотропическими форма, стійка при більш низькій температурі, позначається індексом a, при більш високій - b, g і так далі.
Температура, при якій відбувається перехід решітки з одного виду в інший, називається температурою поліморфного перетворення або температурою перекристалізації. При цьому змінюються властивості металу (щільність, теплопровідність, теплоємність і ін.).
Аллотропические перетворення при нагріванні відбуваються з поглинанням тепла, а при охолодженні з його виділенням. Як при нагріванні, так і при охолодженні аллотропические перетворення відбуваються з деяким запізненням. Так, перетворення a - модифікації в b - модифікацію, що відбувається при нагріванні, буде вища за температуру перетворення b в a, що відбувається при охолодженні. Таке явище називається гістерезисом.
Випробування металів на твердість. Визначення твердості методом Вікерса. Позначення. Галузь застосування.
Твердістю-називається опір матеріалу проникненню в нього іншого тіла, більш твердого, яке не отримує залишкових деформацій.
Існують наступні методи випробування твердості:
-метод Бринеля (вдавлення сталевої кульки),
-метод Роквелла (вдавлення алмазного конуса або сталевої кульки),
-метод Віккерса (вдавлення алмазної піраміди),
-метод визначення мікротвердості,
-метод Шора (метод пружною віддачі).
Твердість по Віккерсу - це твердість матеріалу, обчислена з розміру відбитка, виробленого навантаженням алмазної пірамідки индентора. Индентор, застосовуваний в тестах по Віккерсу, це пірамідка з квадратною основою, протівопложние боку якої сходяться на вершині під кутом 136º. Алмаз продавлює поверхня матеріалу при навантаженнях приблизно 120 кгс, а розмір відбитка (зазвичай не більше 0.5 мм) вимірюється на каліброваному мікроскопі. Число Віккерса (HV) розраховується за формулою:
де F прикладена навантаження (вимірювана в кгс), а D2 площа відбитка (виміряна в квадратних міліметрах).
Прикладена навантаження зазвичай визначається при наведеному HV. Тест по Вікерсом надійний для вимірювання твердості металів, а також використовується для керамічних матеріалів. Метод випробувань за Вікерсом схожий на тест по Брінеллю. Точніше ніж використання індентора типу сталевої кульки по Брінеллю, де необхідно розраховувати площа сфери відбитка, прилади по Вікерсом використовують Пенетратор в формі квадрата з загостреними кінцями, тобто має зовнішній вигляд гральної карти "бубни". Индентор по Віккерсу 136-градусний алмазний конус з квадратною основою, алмазний матеріал индентора має перевагу перед іншими індентора, тому що він не деформується з часом і використання. Відбиток від пенетратора по Вікерсом це темний квадрат на білому фоні. Відбиток по Вікерсом легше «вважається» по площі, ніж круглий відбиток за методом Брінелля. Як і по Брінеллю. число Віккерса розраховується діленням навантаження на площу поверхні відбитка (H = P / A). Навантаження варіюється від 1 до 120 кілограм.
Для виконання тесту з Вікерсом зразок поміщається на ковадло, яка має різьбове підставу. Ковадло повертається вгору до тих пір, поки не підійде впритул до індентора. Стартовий важіль активується, і навантаження поступово прикладається до індентора. Потім навантаження скидається, і ковадло зі зразком опускається. Процес додатки і скидання навантаження контролюється автоматично. Кілька навантажень дають практично ідентичні значення твердості на однаковому матеріалі, що набагато краще, ніж довільне зміна шкали на інших твердоміра. Філярний мікроскоп повертається над зразком для вимірювання квадратного відбитка з допуском плюс / мінус 1/1000 міліметра. Вимірювання, зроблені по діагоналях квадратного відбитка, усереднюються.
Правильне позначення по Віккерсу - це число, за яким слід "HV" (Твердість Віккерса). Перевагою вимірювань твердості за Віккерсом є те, що можуть бути зроблені дуже точні зчитування і те, що тільки один тип индентора використовується на всіх типах металів і дослідженнях поверхні.