Строение металлов

СТРОЕНИЕ  МЕТАЛЛОВ   

Исследование  структуры металла проводят путем  изучения макроструктуры с

увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от 10 до

2000 раз на  оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных

микроскопах, атомной структуры – рентгенографическим анализом.

     Металлы  представляют собой кристаллические  тела с закономерным расположением

атомов в узлах  пространственной решетки. 

                       

 Рис. 3. Элементарный  кубический кристалл: а – объемно-центрированный; б –

                               гранецентрированный          

                   

Решетки состоят  из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга

на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для  железа эти

расстояния 28,4 нм (α=Fe) и 36,3 нм (γ = Fe). Большинство металлов

имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельные

участки кристаллической  решетки прочно связаны между  собой в комплексы – зерна.

Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру

металлов и  их свойства.

Атомы металлов характеризуются малым количеством  электронов (1...2) на

наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой

электропроводностью.

Черные металлы  имеют простые кубические ячейки решеток (рис. 3) двух видов:

а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем

шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб  с центрированными гранями

(14 атомов), объем  шаров занимает 74 %. Некоторые цветные  металлы и их сплавы

имеют гексагональную (шестигранную) решетку.

Железо, олово, титан  и другие металлы обладают свойствами аллотропии,

т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной

температуре иметь  разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения

сопровождаются  выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре

аллотропические формы: α-Fe; β-Fe, γ-Fe, δ-Fe.

Практическое  значение имеют α -Fe и γ -Fe, так как p-Fe и б-Fe

отличаются от a-Fe только величиной межатомного расстояния, а для β-Fe

характерно отсутствие магнитных свойств.

                                              

                

                  Рис. 4. Кривые охлаждения и нагревания  железа 

               

Температура, при  которой происходит переход металла из одного

аллотропического  вида в другой, называется критической. Величины этих

температур видны  на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа (рис. 4)

в виде участков, свидетельствующих о том, что  фазовые превращения происходят

с выделением теплоты при нагревании.

Все металлы  находятся в твердом состоянии  до определенной температуры. При

нагреве металла  амплитуда колебания атомов достигает  некоторой критической

величины, при  которой происходят разрушение кристаллической  решетки и переход

металлов из твердого в жидкое состояние. Процесс кристаллизации заключается в

росте кристаллов путем отложения новых кристаллических  групп вокруг возникших

зародышей. Рост кристаллических образований происходит в определенных

направлениях. Вначале  образуются главные оси кристалла путем роста в трех

взаимно перпендикулярных направлениях, а затем от каждой из этих осей

образуются новые  и возникает не полностью завершенный  кристалл, называемый

дендритом. В  дальнейшем все промежутки между  осями дендрита заполняются

упорядоченно  расположенными атомами.

В условиях несвободной  кристаллизации образующиеся кристаллы  получают

неправильные  очертания и форму и называются кристаллитами или зернами.

Величина зерен  оказывает существенное влияние  на механические свойства

металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл.

Технические металлы  и сплавы представляют собой поликристаллические  тела,

состоящие из большого числа различно ориентированных  кристаллических зерен

(поперечные  размеры зерен – 0,001...0,1 мм). Поэтому  в целом металлы и сплавы

можно считать  условно изотропными телами. 

Структура. 

Сплавы обладают металлическими свойствами и состоят  из двух элементов и

более. Элементы, входящие в состав сплавов, называют компонентами.

     Компоненты  сплавов в процессе затвердевания  и последующего охлаждения

могут образовывать химические соединения, твердые растворы на базе одного из

компонентов или  нового химического соединения и  механические смеси.

     Химические  соединения, образующиеся на основании  общих химических законов

(валентности, ионной связи), могут быть выражены химическими индексами. Обычно

химические соединения повышают твердость и хрупкость  металлов и, как правило,

имеют кристаллическую  решетку другого типа, чем у  каждого из элементов в

отдельности.

     Твердые  растворы – сплавы, у которых атомы растворимого элемента рассеяны

в кристаллической  решетке растворителя; растворимый  элемент может замещать

часть атомов основного  металла или внедряться между  ними, но без образования

молекул определенного  состава. В железоуглеродистых сплавах Fe–С атомы углерода

внедряются в  поры решетки Fe. В отличие от химических соединений состав твердых

растворов непостоянен  и зависит от температуры и  концентрации (проникания

одного элемента кристаллической решетки в другой). Кристаллическая решетка

твердого раствора сохраняет тип решетки одного из компонентов, который по этому

признаку считается  растворителем.

     Механические  смеси (эвтектики, эвтектоиды) –  микроскопически малые, тесно

перемешанные  и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых

металлов, твердых  растворов и химических соединений. Эвтектики образуются из

жидкого сплава при охлаждении и характеризуются  самой низкой температурой

затвердевания смеси, хорошими литейными качествами и высокими механическими

свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого раствора. Эвтектические

и эвтектоидные смеси возникают при определенной концентрации отдельных

составляющих  и определенной температуре. В сплавах, отличных по составу от

эвтектических, при затвердевании в первую очередь выпадает компонент,

избыточный по отношению к эвтектическому.

Изменения структуры  и свойств сплавов с изменением концентрации и температуры

в наглядной  форме представлены на диаграммах состояния  сплавов. Эти диаграммы

не содержат фактора времени и соответствуют условию очень медленного нагрева

и охлаждения.

     Диаграмма  состояния железоуглеродистых сплавов  (рис. 5).

Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются

следующие.

     Феррит  – твердый раствор углерода в α -Fe. При температуре 723° С

предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует.

     Цементит  – карбид железа Fe3C – химическое соединение,

содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а

также самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые

растворы путем  замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при

термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.

     Аустенит  – твердый раствор углерода  в γ –Fe. Атомы углерода

внедряются в  кристаллическую решетку, причем насыщение  может быть различным в

зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре,

а с примесями  Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. Твердость

аустенита НВ 170...220.  

    

             Рис. 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых  сплавов:            

     а  – диаграмма; I – жидкий сплав; II – жилкий сплав и кристаллы аустенита;

III – жидкий сплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI –

аустенит, цементит, ледебурит; VII – цементит и ледебурит; VIII – феррит и

аустенит; IX – феррит и перлит; X – цементит и перлит; XI – перлит, цементит;

ледебурит; XII – цементит, ледебурит; б – ориентировочные отношения

структурные составляющих в различных областях диаграммы. 

     Перлит  – эвтектоидная смесь феррита  и цементита, образуется при  распаде

аустенита при  температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мn

способствуют  образованию перлита и при  меньшем содержании углерода. Твердость

перлита НВ 160...260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной

(зернистой).

     Ледебурит  – эвтектическая смесь аустенита  и цементита, образующаяся при

1130° С и  содержании углерода 4,3 % Структура  неустойчивая: при охлаждении

аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и

перлит. Ледебурит  очень тверд (НВ 700) и хрупок.

     Графит  – мягкая и хрупкая составляющая  чугуна, состоящая из

разновидностей  углерода. Встречается в серых  и ковких чугунах.

На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси ординат

отложена температура, на оси абсцисс – содержание в  сплавах углерода до 6,67 %

т.е. до такого количества, при котором образуется химическое соединение Fe

3C – цементит. Пунктирными линиями нанесена диаграмма состояния для

системы железо – графит, так как возможен распад цементита Fe3С.

Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а

железоцементитной, так как свободного углерода в  сплавах не содержится. Но

так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то

практически удобнее  все изменения структуры сплавов  связывать с различным

содержанием углерода.

Все линии на диаграмме соответствуют критическим  точкам, т. е. тем