Реальное строение металлических кристаллов - раздел Химия, Реальное строение металлических кристаллов Кристаллы Металлов Имеют Небольшие Размеры, Разветвлены, Поэтому Металлически...
Кристаллы металлов имеют небольшие размеры, разветвлены, поэтому металлические изделия состоят из большого числа кристаллов. Металлические изделия имеют поликристаллическое строение, при относительно быстром охлаждении, значительном переохлаждении. При очень медленном охлаждении можно получить крупный кристалл – монокристалл, который получают для полупроводниковой промышленности, научных исследований.
Характер кристаллического строения определяет свойства металлов. Замечено, что с уменьшением зерна, прочность увеличивается и наоборот.
Выявленная в процессе эксплуатации и испытаний прочности металлов (фактическая прочность), на 2 – 3 порядка ниже их теоретической прочности, которой обладают бездефектные металлы. Это объясняется наличием в реальном металле концентратов напряжений металлургического характера (неметаллические включения, ликвация, микротрещины, мелкие газовые пузыри, рыхлоты и т.п.) и дефектов кристаллической решетки (дислокации, вакансии, атомные внедрения элементов), которые показаны на рисунке 2.
а б в
г д
е ж
Точечные дефекты в кристаллической решетке:
а –вакансии;
б– атом внедрения;
в – примесный атом внедрения;
г – схема краевой дислокации;
д – схема винтовой дислокации;
Схема нагружения силой Р идеальной кристаллической решетки:
е – начало;
ж – конец
Рисунок 2 – Дефекты кристаллических решеток
Наличие в металле перечисленных дефектов способствует тому, что межатомные силы задействуются на малом отрезке упругой деформации, затем происходит упруго - пластическая деформация, когда задействует так называемый дислокационный механизм упруго - пластической деформации, развитие которого завершается в конце разрушением металла.
Это показывает, что фактическая, техническая прочность в сотни (иногда тысячи) раз меньше теоретической.
Кристаллическая решетка реального металла геометрически не идеальна: нередко отсутствуют атомы, находятся экстраплоскости, идущие от границы до границы зерна. Наиболее характерные дефекты точечные и линейные. К точечным дефектам относятся вакансии и внедренные атомы. Вакансии – это отсутствие атома в узле кристаллической решетки. Атомы внедрения находятся в междоузлиях кристаллической решетки. Это обычно элементы с малым размером атомов: водород, углерод, азот, и др. Линейные дефекты называются дислокациями, которые образуются в результате локальных или местных смещений кристаллографических плоскостей. Дислокации обозначаются знаком «┴» или «┬». Дислокации бывают краевыми, винтовыми; они при наложении силы могут двигаться, перемещаться, изменяясь, превращаясь друг в друга (рис. 2).
При повышении температуры количество вакансий и дислокаций увеличивается, при закалке количество дислокаций также увеличивается. При пластической деформации как в холодном, так и в горячем состоянии количество дислокаций увеличивается и они двигаются, образуя линии скольжения, по которым одни слои металл смещаются относительно других.
На рисунке 3 показана схема упруго - пластической деформации зерна металла. Во время деформации, которую обычно называют пластической, зерна металла под действием силы P «расслаиваются» на пачки скольжения, которые смещаются друг относительно друга по линиям скольжения, которые образуются по лавинообразному образованию и смещению дислокаций по определенным плоскостям – системам скольжения в кристаллической решетке. Это приводит к вытягиванию зерен металла их измельчению. Прочность металла на разрыв вдоль зерен, вдоль волокон всегда больше, чем поперек.
Рисунок 3 – Схема пластической деформации отдельного зерна металла
а б в г
Рисунок 4 – Схема работы дислокационного механизма пластической деформации (эстафетное движение к границе)
Из рисунка 4 видно, это экстраплоскость 1 – 1, содержащая дислокацию, под действием напряжения оттесняет противолежащую полуплоскость 2 – 2 в промежуточное положение, превращая ее в новую экстра плоскость 1' – 1' становится продолжением бывшей экстроплоскости 1 –1 (рис. 4 а, б). Описанный процесс повторяется с экстроплоскостями, линиями скольжения и их дислокациями до тех пор пока экстра плоскость 4 – 4 не выйдет за границу зерна, образуя ступеньку величиной с параметр решетки (рис. 4 б, в, г). При эстафетном передвижении экстроплоскости и дислокации каждый раз разрывается одна связь между атомами, находящимися по разные стороны от плоскости сдвига S – S, а остальные связи не разрываются. По мере выхода на границу зерна новых дислокаций ступенька растет, превращается в зародыш сдвига. Это приводит к взаимному передвижению пачек скольжения. Под действием силы смещения пачек происходит не только по существующим дислокациям, линиям скольжения, но и по новым, огромное количество, которых возникает в процессе деформации.
Если в 1 см3 металла вначале деформации с приложением сил находится 106–10 8 штук дислокаций, то в процессе пластической деформации их количество достигает величины 108 – 1012 штук. Если напряжения, дислокации не снимать с помощью термообработки особенно при деформации в холодном состоянии, то количество дислокаций на границах зерен, возрастая, достигает критической величины. В местах большего скопления дислокаций и сдвигов пачек скольжения на границах зерен возникают зародыши микротрещин, которые достигая критических размеров, превращаются в макро трещины, что приводит к разрушению металла.
Металл с более мелким зерном имеет более высокую прочность, так как границы соседних зерен препятствуют распространению дислокаций, линий скольжения, вытягиванию зерна, образованию микротрещин на ранних стадиях деформации.
Размером зерна металла можно управлять целенаправленно путем модифицирования модификаторами I рода– Ti, Nb, Ta, Mo, Zr, V, W и др. и модификаторами II рода – Mg, Ca, РЗМ, CaSi и др., изменяя условия кристаллизации, и термической обработкой.
В кристаллах всегда наблюдается анизотропия, т.е. изменение (неодинаковость) свойств в зависимости от направления испытаний. Изменяются механические, магнитные, электрические, звуковые, оптические и др. свойства. Анизотропные кристаллы, их образования, литые заготовки, слитки, прокат и т.д.
Рассмотрим основные элементы дислокационной структуры(факторы), влияющие на передвижение дислокаций под действием сил.
Механические свойства, прочность металла зависит от физико – химических свойств, дислокаций, факторов затрудняющих передвижения дислокаций. Основными из них являются границы зерен и субзерен, дисперсные твердые включения, способствующие изменению зерна, элементы с малыми радиусами атомов (C, N, др.), создающие атмосферы Коттрена; дефекты упаковки и искожения в кристаллической решетке, имеющие в двух направлениях большую, а в одном - очень малую протяженность (атмосферы Сузуки).
Согласно теории И.А. Одинга зависимость между прочностью металла (σ) и полностью дислокаций (ρ) имеет зависимость представленную на графике (рис. 5).
Рисунок 5 – Зависимость прочности металла σ от плотности дислокаций р при лесе дислокаций ВС и при более сложной дислокационной структуре В׀С׀
Точка А соответствует прочности бездефектного идеального металла, т.е. теоретической прочности. На участке АВ по мере увеличения количества дислокаций наблюдается снижение прочности. В точке В при плотности дислокаций 106 – 108 см2 уменьшение прочности прекращается и начинается медленный постепенный рост на участке В – С из – за того, что перемещение дислокаций затрудняется по вышеперечисленным причинам. Специально выращенные «усы» по специальной нанотехнологии имеют практически теоретическую прочность, т.к. нет дефектов.
В зависимости от условий кристаллизации и формирования дислокационной структуры, дислокации могут располагаться в кристаллической решетке зерен хаотически (лес) или строго упорядоченно (стенки) (рис. 6). При упорядоченной структуре пластическая деформация затрудняется, так как прочность металла оказывается выше. Известно, что некоторые сплавы и металлы обрабатываются давление намного хуже, чем другие; имеют узкий интервал температур прокатки, больше самоупрочняются при холодной обработке давлением, хуже снимается наклеп и напряжения при термической обработке.
а б
а – лес дислокаций;
б – дислокационные стенки
Рисунок 6 – Хаотическое и упорядоченное расположение дислокаций
Известно, что дислокационной системой упрочнения (разрушения) можно управлять за счет выбора химического состава сплава, режимов термообработки, уменьшения концентраторов напряжения. К концентраторам напряжения в металле относятся трещины, включения графита, цементита, мелкие неметаллические включения типа Al2O3, SiO2, FeS, FeP, V2O5 и т.д., мелкие поры, раковины, газовые пузыри и другие нарушения сплошности. Концентраты напряжения в местах их расположения уменьшают расчетные напряжения в десятки и сотни раз. Это равноценно уменьшению фактического рабочего сечения детали. Вследствие этого металл разрушается при низком уровне прочности.
Известно, что при обработке металла давлением в холодном состоянии прочность и твердость возрастают, но уменьшается вязкость и пластичность. Это явление называется «наклепом». Наклеп – это самоупрочнение металлов и сплавов в процессе деформации (особенно холодной) за счет увеличения количества дислокаций, изменение формы зерна. Необходимо помнить, что существуют критические напряжения, критический уровень увеличения дислокаций, после которых в металле образуются зародыши микротрещин, переходящих в макротрещины. В результате наступает стадия разрушения.
Все темы данного раздела:
Кристаллическое строение металлов
Металлы это группа элементов, расположенная левее галлия, индия и талия, а не металлы – правее мышьяка, сурьмы, висмута. У металлов в узлах решетки расположены протоны (ионы), между протонами распо
Методы изучения строения металлов
Для изучения структуры сплавов и металлов, определения причин их разрушения используются следующие основные методы анализа:
- химический анализ на элементы;
- спектральный анализ
Кристаллизация металлов, фазовые превращения
Любое вещество, любой элемент может находится в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Только углерод может находится в двух состояниях твердом и газообразном.
Пластическая деформация, механические свойства и рекристаллизация
Из всех свойств материалов механические свойства являются важнейшими. Наиболее ответственные детали машин изготавливают из металлов, ими часто армируют композиты, чтобы обеспечить необходимую прочн
Пути повышения прочности металла
1.7.1. Создание металлов и сплавов с бездефектной структурой; повышением плотности дефектов, затрудняющих движения дислокации. В настоящее время получены ните- видные кристаллы (усы), прочность кот
Понятие о сплавах
Сплав – это вещество, полученное сплавлением, спеканием, электролизом, возгонкой двух или более элементов. Сплав, приготовленный из металлов или имеющий металлическую основу и обладающий металличес
Углеродистые стали
Основным продуктом чёрной металлургии является сталь, которую выплавляют из чугуна и возвратного металлолома. ~ 90 % выплавляется углеродистых сталей, 10 % легированных. Стали сочетают высокую проч
Влияние элементов на свойства сталей
Углерод – изменяет структуру железа, даёт возможность производить улучшение, повышает прочность и твёрдость, понижает пластичность и ударную вязкость, снижает хладноломкость сталей, т.е. ударную вя
Общие положения
Технология обработки металлов состоит из следующих основных этапов:
а) выплавка сплавов заданного химического состава в плавильных агрегатах;
б) изготовление заготовок литьем, сва
Основные превращения в стали
Существует четыре превращения в стали:
а ) П А ; Fe
Выбор параметров термообработки
Выбор температуры закалки углеродистых сталей определяется положением точек А3 для доэвтектоидных (конструкционных) сталей и А1 для эвтектоидных и заэвтектоидных (инструментал
Поверхностная закалка стали
Назначение поверхностной закалки – повышение твердости и износостойкости поверхности, предела выносливости. При этом сердцевина становится вязкой, и изделие воспринимает ударные нагрузки и изгибающ
Лазерная и плазменная термическая обработка
Лазерная термическая обработка производится мощным световым лучом. Особенность ЛТО является локальное воздействие на металл. Глубина упрочненного слоя от 0,3 до 1,0мм. Лазерным лучом металл (сплав)
Цель легирования
Металлы и сплавы легируют элементами таблицы Менделеева для повышения механических свойств или придания специфических свойств (износостойкость, криогенность, коррозионностойкость в разных средах, ж
Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита в стали. Полиморфизм железа
Практически все элементы таблицы Менделеева, применяемые для легирования и микролегирования стали сдвигают точки S, E ,C диаграммы железа-углерод влево, т.е. в меньшие концентрации по углероду при
Цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали
К данной группе относятся низко – и среднелегированные стали, содержащие углерода 0,1÷0,3 %. После ХТО, закалки и низкого отпуска на поверхности детали твердость HRC достигает 58 ÷ 62
Высокопрочные стали
Они имеют предел прочности σВ = 150 – 200 кг/мм²(1500-2000 МПА), при δ = 8 – 6% и аn=3 – 15кгм/см², КС=30–150 кДж/м
Арматурные стали
Они применяется для армирования железобетонных изделий. К ним относятся, например, Ст5, Ст40, Ст 50, 35Г2СА, 23Х2Г2Т, 45ГС, 25ГС2 , 22Х2Г2Р, 20Х2Г2СР и др.
Горячекатаные арматурные стали п
Пружинные стали
Они работают в области упругой деформации металла под воздействием циклических нагрузок. Поэтому они должны иметь высокое значение предела упругости, текучести, выносливости при необходимости пласт
Шарикоподшипниковые стали (ШХ)
Они работают в условиях износа, больших контактных нагрузок. К ШХ сталям предъявляются высокие требования по неметаллическим включениям. ШХ стали содержат обычно углерода от 0,7 до 1%, легируются х
Инструментальные стали (ИС)
Основные требования к инструментальным сталям: сохранение режущей кромки в течении длительного времени, устойчивость против истирания, твердость более 60 HRC, высокая красностойкость. Сталь в штамп
Твердые сплавы (ТС)
ТС используются и работают до температур 1000оС.
Твердость может достигать 80-85 HRC. Твердосплавные пластинки на 90-95 % состоят из карбидов, связкой является кобальт. Они быва
Стали для холодной штамповки
В автомобильной промышленности применяют холодную штамповку из листовой стали. Обычно применяют низкоуглеродистые кипящие стали 08КП, 08ФКП, 08Ю. Для исключения деформационного старения добавляют A
Износостойкие стали
К износостойким сталям относятся графитизирующие стали, содержащие C – 1.3 ÷ 1.8%, Si – 0,7 ÷ 1,7%, Mn – 0,2 ÷ 0,5%.
К лучшим износостойким сталям относится сталь Гадф
Нержавеющие стали (коррозионностойкие)
Коррозия – процесс разрушения металла под действием внешней среды. Различают химическую коррозию и электрохимическую, развивающуюся при контакте с электролитами с образованием на поверхности сплава
Жаростойкие и жаропрочные стали
Под жаростойкостью (окалиностойкость) понимают сопротивление металла окислению в газовой среде при температурах выше 550°С. Для этого сталь легируют Cr, Al, Si, которые создают на поверхности оксид
Магнитные стали
Магнитные стали и сплавы имеют высокую коэрцетивную силу (затрачивается много энергии на размагничивание и намагничивание). Это дает мартенсит с высокой плотностью дефектов. Материал постоянных маг
Криогенные стали
Их применяют для получения, хранения и перевозки сжиженных газов: метана, пропана, кислорода (минус 183°С), азота (минус 196°С), водорода (минус 250°С), гелия (минус 269°С) и других газов.
Тугоплавкие металлы и сплавы
К ним относятся хром (tпл=1865°С), ниобий (tпл=2468°С), молибден (tпл=2625°С), тантал (tпл=2996°С), вольфрам (tпл=3422°С), Re (tпл=
Биметаллы и металлокомпозиты
Биметаллы производят заливкой, прокаткой, специальной сваркой, плакированием для придания специальных свойств. Например: Ст 20 покрывают сталью 03Х18Н10Т, стальную проволоку покрывают медью, алюмин
Медь и ее сплавы
Медь и ее сплавы находят широкое применение в электротехнической промышленности, электронике, приборостроении, плавильном производстве, двигателестроении. Основные сплавы, применяем
Алюминий и его сплавы
Алюминий имеет огромное значение в промышленности из-за высокой пластичности, большой тепло и электропроводности, слабой коррозии, т.к. образующая на поверхности пленка Al2O3
Магний и его сплавы
Магний имеет плотность 1,7 кг/дм³, неаллотропичен плавится при 651°С, кислородоактивен, самовозгорается, пленка МgО хрупкая и растрескивается. Однако магниевые сплавы прочны, поглощают вибраци
Бериллий и его сплавы
Бериллий имеет плотность 1,86 кг/дм3, температуру плавления 1283 0С, теплопроводен, имеет высокую теплоемкость, малый коэффициент линейного расширения, хорошую
Титан и его сплавы
Плавится титан при температуре 1660°С, аллотропичен, вредные примеси N, C, O, H. Пленка TiO2 защищает титан от окисления, коррозии в любой воде, некоторых кислотах. Он плавится, льется,
Общие вопросы
Порошковая металлургия – это отрасль металлургии, включающая получение порошков металлов, их сплавов, неметаллических материалов и изготовление из них различных изделий. Порошковой металлургией пол
Порошки тугоплавких соединений
Порошки карбидов получаются по реакции:
MeO + C = MeC + CO
Порошки силицидов получают кремний термическим методом в инертной среде или вакууме:
Композиционные материалы и детали из них
Армированные конструкционные материалы – это композиционные материалы (КМ), состоящие из пластичной основы (матрицы) и различных специальных компонентов (порошков, волокон, тонкой стружки). Матрица
Износостойкие материалы
Конструкционные детали, работающие в условиях интенсивного износа - шестерни, звездочки, храповики, кулачки, детали втулочных цепей, детали текстильных машин и т.д. Материалы для их изготовления до
Материалы для конструкций машин
60% порошков расходуется на эту группу изделий: шестерни, звездочки, кулачки, корпуса, кольца, крышки, фланцы, детали замочных механизмов, державки резцов, детали приборов и автоматики и т.д. Этими
Керамико-металлические материалы
Они способны работать при повышенных температурах, напряжениях и скоростях. Керметы подразделяются на группы: оксид-металл, карбид-металл, нитрид-металл, борид-металл. Металлическая матрица объедин
Антифрикционные материалы
А-Фр. материалы используются для изготовления подшипников скольжения, распорных втулок, колец, шайб, подпятников и т.п., вместо дефицитных подшипниковых сплавов из цветных металлов, подшипников ско
Фрикционные материалы
Они идут на изготовление тормозных (фрикционных) устройств, тракторов, автомобилей, авиации и т.д., определяют надежность, долговечность и безопасность. Новые Фр. М. идут на изготовление фрикционны
Магнитные материалы
Магнитные материалы из порошков широко применяются во всех областях науки и техники. Из порошков изготавливаются материалы, которые невозможно получить в процессе плавки.
ПММ применяются в
Огнеупорные материалы
Они должны обладать высокими электроизоляционными свойствами, выдерживать высокие температуры, химически не взаимодействовать с металлом, шлаком, газовой средой, электрическими нагревателями.
Термоэлементы
Электронагреватели применяют в различных печах, радио и телевизионной технике, термоэлектродов термопар, термоэлектрических преобразователях энергии, термометрах сопротивления, компенсаторах.
Спеченные электрические контакты
В материалах электрических контактов должны сочетаться свойства: тугоплавкость и высокая твердость, высокие тепло- и электропроводность, высокая коррозионная стойкость, низкое сопротивление, высоки
Сверхтвердые материалы инструментального назначения
К сверхтвердым относятся материалы, твердость и износостойкость которых превышает характеристики карбидо-вольфрамо-кобальтовых сплавов или карбидо-титановых на ни
Твердые сплавы из инструментальной стали
Высокая твердость, износостойкость в сочетании с хорошими физико-механико-химическими свойствами обеспечивает широкое применение порошков нитридов, карбидов, боридов, оксидов, силицидов для изготов
Высокопористые материалы
Высокопористые материалы изготавливаются для фильтров очистки воздуха, газов, жидкостей, масел, топлив, жидких газов, пластмасс, каучука, агрессивных жидкостей, лекарств, расплавов металлов, улавли
Тугоплавкие металлы
К ним относятся элементы IV - VIII групп Периодической системы элементов, представленные в таблице 12.
Эти металлы в чистом виде получают методом восстановления оксидов водородом, карбидам
Материалы для атомной энергетики
Атомный реактор состоит из следующих частей:
1) активная зона с тепловыделяющими элементами (ТЭВЛ) и технологические каналы с теплоносителем для удаления тепла. Для ТЭВЛов требуется 235 U,
Ферриты
Это магнитные полупроводники ионного строения на основе окиси железа и часто других металлов (антиферромагнетики или ферромагнетики).
Они делятся на:
- феррошпинели MgO Al2
Общие вопросы
К неметаллическим материалам относятся:
а) полимерные материалы органические и неорганические;
б) различные виды пластических масс;
в) композиционные материалы на неметал
Полимеры
Полимеры – это вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса составляет от 500 до 106 единиц. Длина
Пластические массы
Пластические массы производятся на основе полимеров и состоят из:
а) связующего вещества (смолы, эфиры, полиэтилены, целлюлозы);
б) наполнителей;
в) пластификаторов (стеа
Композиционные материалы
В развитых странах композиционные материалы находят все большее применение и практически не существует области техники, где не применялись бы композиты (автостроение, судостроение, строительство, с
Каучуки и резины
Резина это продукт вулканизации смеси каучука и серы с различными добавками, имеющий высокие эластичные свойства; относительное удлинение составляет до 1000 %; высокая стойкость к истиранию, химсто
Клеящие материалы и герметики
Клеи и герметики – это растворы и расплавы полимеров и неорганических веществ, которые наносятся на склеивающиеся поверхности и после высыхания образуют хорошо прилипающие пленки. Клеи и герметики
Неорганическое стекло
Это затвердевший раствор (сложный расплав высокой вязкости) кислотных и основных оксидов. Стеклообразующий каркас стекла образует катион [SiO4]-4 . При частичной замене Si на
Керамические материалы
Керамика – это неорганический материал получаемый в основном из порошков. Они восстанавливаются, смешиваются, формуются, прессуются, обжигаются при температурах 1200-25000 С. Керамика мо
Формообразование изделий из неметаллических материалов
Пластмассы всё больше внедряются в производство вместо металла. Коэффициент использования материала составляет 85-95 %, малая трудоемкость, высокая механизация и автоматизация. При выборе технологи
Новости и инфо для студентов