Строение кристаллов металла

Г. В. Бычков, А. А. Ражковский,

А. В. Смольянинов

Материаловедение

Часть 1

Омск 2005

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

_________________________

Г. В. Бычков, А. А. Ражковский, А. В. Смольянинов

Материаловедение

Конспект лекций

Часть 1

Омск 2005

УДК 669.017:620.18(075.8)

ББк 34.202:34.206я73

Б95

Бычков Г. В. Материаловедение: Конспект лекций. Часть 1/ Г. В. Бычков, А. А. Ражковский, А. В. Смольянинов; Омский гос. ун-т путей сообщения, 2005. 57 с.

Конспект лекций состоит из пяти разделов дисциплины «Материаловедение». Первый и второй разделы посвящены кристаллическому строению металлов и описанию их основных свойств. В третьем разделе рассматривается теория сплавов, причем основное внимание уделено сплавам железа с углеродом, разобрана диаграмма состояний системы «железо – цементит». В четвертом разделе приводятся классификация, маркировка и применение углеродистых сталей и серых чугунов. В пятом разделе кратко рассмотрены основные положения термической обработки, связанные с нагревом и охлаждением стали. Даны определения основных операций термообработки: отжига, нормализации, закалки и отпуска, указаны их назначение и режимы проведения.

Предназначен для студентов, изучающих дисциплину «Материаловедение».

Библиогр.: 9 назв. Рис. 30.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор А. П. Моргунов;

доктор техн. наук, профессор А. В. Бородин.

_________________________

Ó Омский гос. университет

путей сообщения, 2005

оглавление

Введение ……………………………………………………………………….…
1. Металлы …………………………………………………………………….….
1.1. Кристаллизация металлов ….……………………………………………….
1.2. Строение кристаллов металла ….………………………………………..…
1.3. Исследование структуры металла ….…………………………………..…..
2. Свойства металлов и сплавов …………………………………………..…….
2.1. Основные свойства металлов ….……………………………………..…….
2.2. Механические свойства металлов ……..……………………………..…….
3. Металлические сплавы …………………………………………..…….……...
3.1. Основы теории сплавов ………………….………………………………….
3.2. Диаграмма железоуглеродистых сплавов …………………………………
3.3. Критические точки сталей (точки Чернова) ……………………………….
4. Классификация и маркировка углеродистых сталей и чугунов ……….…...
4.1. Углеродистые конструкционные стали ……………………………………
4.2. Серые чугуны ………………………………………………………………..
5. Термическая обработка стали ……….……….……………………………….
5.1. Общие сведения …………………………………………….……………….
5.2. Операции термической обработки …..………………………..……………
Библиографический список ……………………………………………...……...

Введение

Материаловедение изучает зависимость между составом, строением и свойствами конструкционных материалов. Кроме металлов и сплавов в программу этой дисциплины входит изучение полимерных, электрических и других материалов.

Железнодорожный транспорт, транспортное машиностроение и транспортное строительство являются крупнейшими потребителями материалов (в первую очередь металлов и сплавов), поэтому основными вопросами «Материаловедения» остаются изучение зависимости между составом, строением, свойствами и применением металлов и сплавов.

Авторы конспекта лекций не ставили перед собой задачи полностью охватить все вопросы металловедения, а стремились последовательно, в доступной форме изложить учебный материал, предусмотренный рабочими программами дисциплины «Материаловедение» для студентов различных специальностей нашего вуза.

Материал конспекта поделен на пять разделов. В первом рассмотрены краткая классификация металлов и законы их кристаллизации. Приведены типы кристаллических решеток и строение кристаллов. Во втором разделе указаны основные свойства металлов. Главное внимание уделено механическим свойствам. В третьем разделе рассмотрены типы металлических сплавов. Выполнен разбор диаграммы состояний железоуглеродистых сплавов с характеристикой структуры в каждой области, указаны критические точки сталей. В четвертом разделе даны классификация, маркировка и применение углеродистых сталей и чугунов. Раздел пятый посвящен термической обработке стали. Кратко рассмотрены превращения в стали при нагреве и охлаждении с характеристикой образующихся структур. Указаны назначение и режимы проведения основных операций термической обработки: отжига, нормализации, закалки и отпуска.

При изучении дисциплины «Материаловедение» необходимо усвоить большое количество специальных терминов и определений, а на ее изучение в нашем вузе по существующим учебным планам отводится один семестр. Объем информации в учебной литературе значителен и не укладывается в рамки часов аудиторных занятий. Помочь студентам, изучающим «Материаловедение», разобраться в большом объеме новой для них информации и предназначен данный конспект лекций.

1. Металлы

Металлы – это химические элементы, отличительными признаками которых являются непрозрачность, специфический блеск, электро- и теплопроводность, хорошая ковкость. Все металлы делятся на две большие группы – черные и цветные. Черные металлы имеют большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Основным представителем этой группы является железо.

Железные металлы: железо, кобальт, никель (ферромагнетики) и марганец. Кобальт, никель, марганец часто применяют в качестве добавок (легирующих элементов) к сплавам железа (сталям). К группе черных металлов относятся также урановые, редкоземельные (РЗМ) и тугоплавкие температура плавления которых выше, чем у железа, – 1539°С.

Цветные металлы обычно имеют характерный цвет, большую пластичность, малую твердость, относительно низкую температуру плавления. Наиболее типичными цветными металлами являются медь и алюминий. Цветные металлы подразделяются на легкие – с малой плотностью (менее 3 г/см³): магний, бериллий, алюминий; легкоплавкие: цинк, олово, свинец, висмут, сурьма и т. п., температура их плавления – менее 1000°С. К этой же группе относятся и благородные металлы: серебро, золото, платина, палладий, иридий, осмий и др.

Часто под словом «металл» понимают не только чистый химический элемент, но и сплав, состоящий из химического элемента – металла с другим металлом или неметаллом. Сплавы обладают разнообразными свойствами, которых нет у чистых металлов. Входящие в сплав химические элементы называются компонентами сплава. Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии. Металлокерамические сплавы получают путем спекания порошков металлов (например, порошковый дюралюмин Д16П).

Металл – твердое поликристаллическое тело, он состоит из кристаллов различной формы и величины. После окончания процесса плавки жидкий металл из печи выпускают в ковш. Из ковша металл разливают по изложницам, где он кристаллизуется – переходит в твердое состояние, остывает, образуя слиток (пять, восемь, десять тонн и более).

Кристаллизация металлов

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. В 1878 г. великий русский ученый Д. К. Чернов, изучая структуру литой стали, установил, что процесс кристаллизации следует разделять на две стадии: зарождение первичных зародышей кристаллов (центров кристаллизации) и рост кристаллов из этих центров (рис. 1).

Рис. 1. Схема процесса кристаллизации

(□ – центры кристаллизации)

Схема роста кристаллов показана на рис. 2. Кристалл растет в направлении, противоположном отводу тепла. Сначала образуется главная ось кристалла 1, затем на главной оси образуются оси первого порядка 2, на них – оси второго порядка 3, на них – оси следующего порядка и т. д., пока в этом объеме есть жидкий металл.

Атомы жидкости пристраиваются к атомам кристаллов, создавая их форму и обеспечивая их рост. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму до момента их соприкосновения. В месте соприкосновения кристаллов рост их отдельных осей и граней прекращается. В результате к окончанию процесса кристаллизации кристаллы не имеют правильной геометрической формы, но сохраняют свое древовидное строение. Кристаллы древовидной формы называются дендритами (см. рис. 2).

Дендритное строение – признак литого состояния металла (слиток, отливка). При значительной пластической деформации литого металла форма и размеры кристаллов изменяются – дендриты дробятся, из них образуются новые кристаллы неопределенной формы, называемые зернами (рис. 3). Зернистое строение – признак деформированного металла (прокат, поковки, штампованные полуфабрикаты).

Рис. 2. Дендритная кристаллизация: а – схема дендритного строения

по Чернову; б – схема кристаллизации слитка; дендриты: Чернова (в),

на поверхности сурьмы (г) и алюминия (д)

а б

Рис. 3. Микроструктура доэвтектоидной стали:

а – крупнозернистая; б – мелкозернистая

Размер кристаллов металла во многом определяет его прочностные свойства: чем мельче кристаллы, тем выше сопротивление металла ударным и циклическим нагрузкам. Итак, в процессе кристаллизации два фактора определяют строение металла: число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов из этих центров.

Проследим за изменением температуры металла при охлаждении жидкости через равные промежутки времени (рис. 4). Сначала температура жидкого металла понижается равномерно в зависимости от скорости охлаждения V₁, V₂, V₃. Затем понижение температуры прекращается и на кривой охлаждения появляется горизонтальный участок (площадка). В это время отвод тепла компенсируется выделением скрытой теплоты кристаллизации и металл переходит в твердое состояние (образуются и растут кристаллы). После окончания кристаллизации температура вновь равномерно понижается, металл охлаждается в твердом состоянии.

При теоретической температуре кристаллизации (температуре плавления) жидкий металл и твердые кристаллы могут существовать одновременно и бесконечно долго. Следовательно, кристаллизация может происходить только при определенном переохлаждении металла ниже теоретической (равновесной) температуры. Разность между теоретическим и фактическим значениями температуры кристаллизации металла называется степенью переохлаждения:

DТ = Т_пл – Т_к, (1)

где Т_пл – теоретическая (равновесная) температура кристаллизации (плавления) металла;

Т_к – фактическая температура кристаллизации данного металла.

Степень переохлаждения металла зависит от скорости охлаждения V₁, V₂, V₃ (см. рис. 4).

Скорости охлаждения V₁ соответствует малая степень переохлаждения DТ₁. Охлаждение расплава со скоростью V₂ вызывает увеличение степени переохлаждения DТ₂, а большая скорость охлаждения V₃ приведет к увеличению степени переохлаждения DТ₃, и кристаллизация будет происходить при более низкой температуре. В итоге это скажется на факторах процесса кристаллизации:

V_охл ®DТ®ЧЦК – СРК, (2)

где ЧЦК – число центров кристаллизации;

СРК – скорость роста кристаллов из этих центров.

Однако не всегда имеется возможность регулировать скорость охлаждения жидкого металла. Методом получения мелких кристаллов при затвердевании металла является создание искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Процесс искусственного регулирования количества и размеров кристаллов называется модифицированием.

Строение кристаллов металла

Все металлические тела кристаллические. Их атомы в кристаллах имеют определенное, закономерное расположение в пространстве. Атомы состоят из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Электроны у металлов слабо связаны с ядром и могут легко переходить от одного иона к другому. Этим объясняется высокая электро- и теплопроводность металлов.

Воображаемые линии, проведенные через центры атомов (положительно заряженных ионов), образуют так называемую кристаллографическую плоскость. Многократное повторение кристаллографических плоскостей, расположенных параллельно, образует пространственную кристаллическую решетку (рис. 5). Атомы в узлах кристаллической решетки колеблются с определенными амплитудой и частотой и находятся под действием сил взаимного притяжения и отталкивания. Размеры кристаллической решетки (расстояния между центрами соседних атомов) называются параметрами и измеряются в ангстремах – Å (1Å = 1´10^-8 см) или в килоиксах – кХ (1кХ = 1,00202Å), или в нанометрах – нм (1нм = 1´10^-9 см = 0,1 Å).

Стремление атомов металлов занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию трех типов кристаллических решеток: кубической объемно центрированной (ОЦК), кубической гранецентрированной (ГЦК) и

гексагональной плотноупакованной (ГПУ) (рис. 5).

Рис. 5. Схема расположения атомов в металле: а – в плоскости;

б – в пространстве; кубические решетки металлов: объемно

центрированный куб (в) и ячейка его кристаллической решетки (г);

гранецентрированный куб (д) и ячейка его кристаллической решетки (е);

элементарные ячейки: объемно центрированной кубической решетки (ж);

гранецентрированной кубической решетки (з); плотноупакованной

кубической решетки (и)

В ячейке решетки кубической объемно центрированной атомы расположены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют, например, хром, ванадий, вольфрам и др. В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани куба; такую решетку имеют алюминий, никель, свинец и др. В решетке гексагональной плотноупакованной атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центрах этих оснований и внутри призмы; такую решетку имеют магний, титан, цинк и др.

Из изложенного выше понятно, что характерные признаки металлов обусловлены их внутренним строением (структурой). Геометрическая правильность расположения атомов в кристаллической решетке придает им особенности, которых нет у аморфных тел (смола, стекло).

В плоскостях и направлениях кристаллической решетки атомы расположены с различными плотностью, расстоянием друг от друга, и потому свойства кристаллов (физические, химические, механические) в различных направлениях разные (рис. 6). Такое различие свойств называется анизотропией. Все кристаллы анизотропны. В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов, свойства во всех направлениях одинаковы (усредненные). Если в структуре металла создается одинаковая ориентировка всех кристаллов, то появляется анизотропия всего металла.

Рис. 6. Кристаллографические плоскости и направления

в объемно центрированной кубической решетке: а – в направлении

граней (четыре атома); по диагонали: б – три, в – четыре атома

В действительности реальный кристалл в отличие от идеального представления о его кристаллической решетке имеет структурные несовершенства (дефекты): точечные, линейные, поверхностные.

Точечные несовершенства. Как указывалось, атомы находятся в колебательном движении в узлах решетки. Чем выше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Хотя атомы в кристаллической решетке обладают одинаковой (средней) энергией и значения их амплитуды колебаний одинаковы, всегда есть отдельные атомы, у которых и энергия, и амплитуда больше, чем у других. Такие атомы могут перемещаться из одного узла в другой, оказавшийся свободным.

Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя кристалла (например, атом 1 на рис. 7, а). Место, где находился такой атом, оказывается свободным и называется вакансией. Через некоторое время в свободный узел перемещается другой атом (например, атом 2 на рис. 7, б). В освободившееся место перемещается следующий атом (атом 3 на рис. 7, в). Таким образом, вакансия перемещается по кристаллу. Наличие вакансий искажает атомную решетку кристалла, оказывая влияние на свойства металла (рис. 7, г).

С увеличением температуры увеличивается число вакансий и они чаще переходят из одного узла в другой. Вакансии играют определяющую роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах и сплавах.

Линейные несовершенства. Наиболее распространенными являются несовершенства, имеющие протяженность только в одном направлении, или линейные дефекты. Их называют дислокациями. Дислокации образуются в результате местных смещений (сдвигов) кристаллографических плоскостей, происходящих в кристаллической решетке кристаллов. Наиболее распространены краевые дислокации (рис. 8). Краевая дислокация – это нижняя граница (край) как бы лишней, не имеющей продолжения полуплоскости АВ. Линию атомов нижней границы полуплоскости АВ и называют дислокацией (см. рис. 8).

Образование дислокаций может происходить при кристаллизации, термической обработке и при других процессах. Дислокации оказывают большое влияние на механические свойства – понижают прочность, но обеспечивают способность металла пластически деформироваться (рис. 9).

Поверхностные несовершенства – границы зерен и блоков металла. На границе между зернами (кристаллами) атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Зерна разориентированы, повернуты относительно друг друга на несколько градусов. По границам зерен скапливаются дислокации и вакансии. Зерно состоит из большого количества областей, называемых блоками, границы которых представляют собой дислокации, разделяющее зерно на блоки (рис. 10).

Итак, в реальной кристаллической решетке металлов всегда есть вакансии, дислокации, атомы примесей (имеющие другие атомные размеры), искажающие форму кристаллических ячеек и их параметры. Все это оказывает влияние на реальные свойства металлов (рис. 11). Для определения свойств металлов стандартами предусматривается проведение соответствующих испытаний.