Строение металлов и сплавов.
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком - периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка.
Элементарная ячейка – это элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
Основные параметры кристалла:
1) Размер ребер между элементарной ячейки;
2) Углы между осями;
3) Координационное число – указывает на число атомов расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома решетки;
4) Базис решетки;
5) Плотность упаковки атомов в кристаллической решетке.
Всего для кристаллических тел существует 14 видов решеток, разбитых на 4 типа:
1) Примитивный;
2) Базоцентрированный;
3) Объёмоцентрированный;
4) Гранецентнированный.
3. Дефекты кристаллических решеток:
1) Точечные – (вакансии, межузельный атом, атом внедрения)
2) Поверхностные – (большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников )
3) Линейные – (краевые и винтовые дислокации)
4) Объёмные – (пустоты, поры, трещины и включения)
4. Энергетические и температурные условия процесса
кристаллизации
Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом. Изменение агрегатного состояния происходит при определенных температурах. Температура перехода зависит от давления, но при постоянном давлении они вполне определенны.
Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Плавление – процесс, обратный кристаллизации.
Энергетическое состояние системы, имеющее огромное число охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией G, называемой свободной энергией. В условиях постоянного давления:
2.1
где – U – внутренняя энергия системы (вещества), т. е. полная энергия, равная сумме кинетической и потенциальной энергии частиц, составляющих данную систему; Т – абсолютная температура в системе, S – энтропия, т. е. мера внутренней неупорядоченности в системе.
Чем больше свободной энергии системы, тем система менее устойчива.
Изменение свободной энергии жидкого (1) и кристаллического (2)
состояний в зависимости от температуры.
Из графика видно, что при температуре ТS свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл находится в равновесии. ТS – равновесная или теоретическая температура кристаллизации, при которой
GЖ = GТВ.
Для начала кристаллизации необходимо уменьшение свободной энергии системы. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением. Разница между равновесной ТS и реальной ТК температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения ∆Т. Степень переохлаждения зависит от природы металла, она увеличивается с повышением частоты металла и ростом скорости охлаждения. Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах «Время – Температура»
Рис. Кривые охлаждения при кристаллизации
Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры. При достижении температуры кристаллизации на кривой «температура–время» появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. Жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, поэтому при кристаллизации выделяется теплота. По окончании кристаллизации температура снова начинает снижаться и твердое кристаллическое вещество охлаждается.
5. Механизм и основные закономерности процесса
кристаллизации
В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов небольшого объема, в пределах которых расположение атомов вещества во многом аналогично их расположению в решетке кристалла. Эти группировки неустойчивы, они рассасываются и вновь появляются в жидкости. При переохлаждении жидкости некоторые из них (наиболее крупные) становятся устойчивыми и способными к росту. Эти устойчивые группировки атомов называют центрами кристаллизации (зародышами).
Образование зародышей способствует флуктуации энергии, т. е. отклонение энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от некоторого среднего значения. Размер образовавшегося зародыша зависит от величины зоны флуктуации.
Процесс кристаллизации:
1)Образование небольших групп в жидкой фазе
2)Образование двумерного зародыша
3)Рост двумерного зародыша
4)Дальнейший рост спиральки и винтовой дислокации
Рассмотрение подобных схем кристаллизации позволяет объяснить два важных момента:
1) по мере развития процесса кристаллизации в нем участвует все большее и большее число кристаллов, поэтому процесс вначале ускоряется до тех пор, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кристаллов не начинает заметно препятствовать их росту, которое замедляется; тем более, что и жидкости, в которой образуются новые кристаллы, становится все меньше;
2) в процессе кристаллизации кристалл, окруженный жидкостью, имеет правильную форму, но по мере столкновения и срастания кристаллов их правильная форма нарушается и оказывается в зависимости от условий соприкосновения растущих кристаллов. Кристаллы неправильной формы называются кристаллитами или зернами.
Скорость процесса и окончательный размер кристаллов при затвердевании определяется соотношением между скоростью образования центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов.
При небольших степенях переохлаждения, когда зародыш критического размера велик, а скорость образования зародышей мала, в результате затвердевания образуется крупнокристаллическая структура. Чем больше степень переохлаждения, тем больше центров кристаллизации и тем меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства сплава.
Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зерен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обратном отводу теплоты. Поэтому при направленном теплоотводе образуются вытянутые (столбчатые) кристаллы. Если теплота от растущего кристалла отводится во всех трех направлениях с приблизительно одинаковой скоростью, формируются равноосные кристаллы.
6. Методы анализа металлов:
1.Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.
Осуществляется после предварительной подготовки исследуемой поверхности (шлифование и травление специальными реактивами).
Позволяет выявить и определить дефекты, возникшие на различных этапах производства литых, кованных, штампованных и катанных заготовок, а также причины разрушения деталей.
Устанавливают:
1) вид излома (вязкий, хрупкий);
2) величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла;
3) дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины);
4) химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой;
5) волокна в деформированном металле.
2.Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.
Образцы – микрошлифы с блестящей полированной поверхностью, так как структура рассматривается в отраженном свете. Наблюдаются микротрещины и неметаллические включения.
Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по разному. Можно выявить форму, размеры и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.
Кроме световых микроскопов используют электронные микроскопы с большой разрешающей способностью.
Изображение формируется при помощи потока быстро летящих электронов. Электронные лучи с длиной волны (0,04…0,12) ·10-8 см дают возможность различать детали объекта, по своим размерам соответствующе межатомным расстояниям.
Просвечивающие микроскопы. Поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Различают косвенные и прямые методы исследования.
При косвенном методе изучают не сам объект, а его отпечаток – кварцевый или угольный слепок (реплику), отображающую рельеф микрошлифа, для предупреждения вторичного излучения, искажающего картину.
При прямом методе изучают тонкие металлические фольги, толщиной до 300 нм, на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла.
Растровые микроскопы. Изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже, чем у просвечивающих микроскопов.
3.Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций.