Строение и свойства металлов и сплавов

2.1.1.1. Общие сведения о металлах

Прежде всего, нужно уяснить, что такое металл, какими основными свойствами обладают металлы и, чем эти свойства обусловлены, ознакомиться и разобраться с классификацией металлов. Уясните атомно-кристаллическое строение металлов, отличие их строения от строения неметаллов. Узнайте основные типы кристаллических решеток. Здесь нужно разобраться, почему металлы, имеющие однотипные кристаллические решетки, обладают неодинаковыми свойствами. Характеристики кристаллических решеток - параметры, координационное число, плотность упаковки. Ознакомьтесь с основными типами связей, встречающимися в твердых телах и в металлах в частности. Уясните отличие строения «реальных» кристаллов от «идеальных». При этом необходимо понять, что металлы, используемые в практике, тела поликристаллические, состоят из множества мелких кристаллов - зерен, в которых имеется большое количество точечных, линейных и поверхностных дефектов (вакансий, дислокаций). Уясните их появление в кристаллах и влияние на свойства металлов, обратив особое внимание на роль дислокаций при пластической деформации. Ознакомьтесь с явлением анизотропии свойств в кристаллах и возможности получения этого явления у поликристаллического металла. Разберитесь с явлением аллотропии металлов и в его использовании для получения нужных эксплуатационных свойств металлов.

При рассмотрении вопросов плавления и кристаллизации металлов нужно разобраться в термодинамических основах фазовых превращений. Следует уяснить, что стремление к наименьшему запасу свободной энергии, которое обусловливает плавление и кристаллизацию металла, является частным случаем общего закона природы. Этим же объясняется наличие при разных температурах в одних и тех же металлах разных типов кристаллических решеток.

Разберитесь в механизме процесса кристаллизации чистых металлов, влиянии примесей на этот процесс, образовании зерен, дендритов, образовании и строении слитка. Уясните, какими параметрами характеризуются механические, технологические, физические и химические свойства металлов и основные методы их определения.

Вопросы для самопроверки

1. В чем отличие строения металлов от неметаллов?

2. Чем отличается строение «реального» кристалла металла от «идеального»?

3. Какими основными механическими, технологическими, физическими и химическими свойствами обладают металлы?

4. Какое условие необходимо для протекания процесса кристаллизации?

5. Как получить мелкое зерно в литом металле?

6. Что такое полиморфное превращение и от чего оно зависит?

2.1.1.2. Способы получения металлов

По материалу, из которого изготовлялись орудия труда, называли века: каменный век, бронзовый век, железный веч.

Наш век называют по-разному: космический, ядерный и т.д. Но основным элементом, входящим в материалы, из которых изготовляют современные орудия труда, машины, конструкции, является железо. «Железный век» продолжается.

И железо, и многие другие металлы в чистом виде для изготовления деталей, конструкций не используются из-за низких механических и др. свойств. Используются сплавы металлов. Основными сплавами железа являются сталь и чугун. В России выплавляется в год около 60 млн. т чугуна и 90 млн. т стали.

При рассмотрении вопросов получения чугуна обратите внимание на исходные материалы доменного процесса, на процессы восстановления железа и насыщения его углеродом в доменной печи, формирование чугуна. Рассмотрите продукты доменного производства — предельный и литейный чугуны, ферросплавы, шлак, доменный газ и их применение в экономике страны. Обратите внимание на основные технико-экономические показатели доменного процесса.

Изучая производство стали, уясните отличие химического состава ее от чугуна и, в связи с этим, основные физико-химические процессы, происходящие в сталеплавильных агрегатах. Разберитесь в устройстве и работе кислородного конвертора, мартеновской и электрической печей. Обратите внимание на разновидность этих процессов в зависимости от футеровки печей и состава шихты.

Рассмотрите и уясните вопросы, связанные с раскислением стали получением при этом спокойной, полуспокойной и кипящей стали, различие свойств стали, строения слитков и применения.

Ознакомьтесь с различными способами разливки стали после ее выплавки (сверху, сифонный, непрерывный) и методами повышения чистоты сталей: обработка синтетическим шлаком, вакуумирование, электрошлаковый переплав. Разберите прямое восстановление железа из руд, минуя доменное производство чугуна и перспективы его развития.

Разберитесь в схемах производства меди, алюминия, титана.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается сущность технологии получения чугуна в доменных печах?

2. В чем заключается сущность технологии получения стали в кислородном конверторе, мартеновской и электрической печах?

3. Для каких целей проводится раскисление стали, сущность, разновидности?

2.1.1.3. Пластическая деформация и рекристаллизация

Сначала уясните понятие деформация, за счет чего она возникает, ее разновидности (упругая и пластическая), ее физическую природу. Рассмотрите роль дислокаций в пластической деформации. Разновидности пластической деформации (холодная и горячая) в зависимости от температуры рекристаллизации. Разберитесь, какими явлениями сопровождаются эти разновидности пластической деформации, как при этом изменяются свойства металлов. Уясните явления наклепа, возврата, рекристаллизации, изменения скорости рекристаллизации с изменением температуры. При этом важно понять, за счет чего происходит упрочнение при холодной пластической деформации, как можно изменять степень упрочнения практически, каким образом снять полученное упрочнение.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается сущность пластической деформации?

2. Чем отличается холодная пластическая деформация от горячей?

3. Что такое наклеп, возврат, рекристаллизация?

4. Когда будет крупнее рекристаллизованное зерно: после деформации на 25% или на 75%?

5. Происходит ли процесс рекристаллизации после деформации со степенью ниже критической?

2.1.1.4. Основы теории сплавов

При изучении этой важной темы нужно сначала разобраться с понятиями: сплав, система, компонент, фаза, структура.

Сплавы можно получать различными способами: металлургическим - из расплавов и спеканием порошков, гальваническим и др. При этом свойства сплавов будут зависеть от того, в какие взаимодействия вступают при сплавлении компоненты, образующие сплав при кристаллизации:

1) элементы не растворяются друг в друге и не образуют химического соединения, а при кристаллизации образуются кристаллические решетки сплавляемых чистых металлов, например система сплавов Pb - Sb;

2) элементы растворяются частично или полностью друг в друге, при этом сохраняется кристаллическая решетка одного из металлов, в которой часть атомов замещена атомами другого металла (Си - Ni)- твердые растворы замещения; или атомы другого элемента (чаще неметалла) внедряются, размещаются между атомами растворителя (Fe - С) - твердый раствор внедрения;

3) элементы, образующие сплав, при кристаллизации образуют совершенно новую решетку, более сложную - химического соединения, где на определенное количество атомов одного элемента приходится постоянное число атомов другого элемента (цементит Fe₃C).

Изменение строения сплавов конкретной системы в зависимости от температуры, т. е. сплавов, образованных одними и теми же элементами, но с разной их концентрацией принято анализировать на диаграммах состояния сплавов. Диаграммы состояния строятся экспериментальным путем с помощью термического анализа. Уясните методику его проведения. Для анализа сплавов используют правило фаз (закон Гиббса), которое позволяет понять многие особенности фазовых превращений, происходящих в реальных системах. Уяснив математическую зависимость правила фаз, научитесь применять ее для анализа конкретных сплавов при различных температурах. Например, сплав с 20% Ni системы Сu – Ni (см. приложение). При температурах выше линии ликвидуса и солидуса этот сплав находится в однофазном состоянии: в первом случае фазой является жидкость, во втором - твердый раствор,

С = 2 - 1 + 1 = 2, т. е. можно изменять температуру и концентрацию без изменения количества фаз, разумеется, в определенных пределах. При температурах между линиями ликвидус и солидус сплав находится в двухфазном состоянии: α — твердый раствор и жидкость, С = 2 – 2 + 1 = 1, следовательно, можно изменять температуру сплава от линии ликвидус до линии солидус, не изменяя фазового состояния. Кривая охлаждения такого сплава будет иметь два перегиба в точках ликвидус и солидус. Горизонтальная площадка на кривой охлаждения — температурная задержка во времени — получается при С = 0, для двойных сплавов (состоящих из двух компонентов) F = 3. В приведенном примере сплав такой точки не имеет.

Вторым важным правилом, которым нужно научиться пользоваться при анализе диаграмм состояния, является правило отрезков. Рассмотрим его на том же примере: сплав 20% Ni и 80% Сu находится при температуре 1150° С. Кристаллы α, которые образуются из жидкого сплава при его охлаждении, имеют переменный состав, непрерывно меняется состав и жидкой фазы. Естественно, изменяется и количественное соотношение фаз. Для определения всего вышесказанного проводится горизонтальная линия через точку, характеризующую сплав при заданной температуре, до пересечения с ближайшими линиями диаграммы. Точки пересечения проецируются на ось концентраций. Проекция точки с ликвидус показывает концентрацию жидкой фазы (~ 10% Ni, ~ 90% Сu) при температуре 1150°С, а с солидус - твердой фазы (~ 28% Ni, ~ 72% Сu). Количество каждой фазы определяется из отношения отрезков

Для того чтобы разобраться с более сложной и важной диаграммой Fe—Fe₃ С, уясните основные типы диаграмм:

1) отсутствие растворимости компонентов в твердом состоянии;

2) растворимость в твердом состоянии;

3) образование химических соединений.

Н.С. Курнаков установил связь между диаграммами состояния и свойствами сплавов. Уясните эту связь.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое система, компонент, фаза, структура, сплав?

2. В чем заключается термический метод построения диаграмм сплавов?

3. Что такое эвтектика? Опишите процесс кристаллизации эвтектики.