Будова металів.

Дослідження свідчать, що атоми (іони) в металах просторово розташовуються в суворому порядку, утворюючи кристалічну решітку. Форма і тип кристалічної решітки визначаються характером взаємного розташування атомів у кристалі. Кожний тип кристалічної решітки може бути охарактеризований елементарною коміркою, під якою розуміють мінімальне угруповання атомів, яке відображає повну симетрію кристалу, і переміщуючи яку паралельно саму собі в просторі, можна побудувати весь кристал. Кристалічні решітки, в яких частинки розташовані тільки у вершинах елементарної комірки, називаються простими (наприклад, куб). У складних кристалічних решітках з щільною упаковкою атомів частинки знаходяться не тільки у вершинах, але і в середині комірок чи на їх гранях. Розміри елементарної комірки характеризують періодом, під яким розуміють відстань між паралельними атомними площинами, утворюючими елементарну комірку. Іншими важливими характеристиками кристалічної решітки елементарної комірки є: координаційне число К, коефіцієнт компактності h і базис Б. Під координаційним числом розуміють число атомів, мінімально рівновіддалених від даного атома. Коефіцієнт компактності решітки визначається як відношення об’єму, зайнятого атомами в решітці, до усього об’єму решітки. Величини К і h характеризують щільність упаковки атомів у решітці. (Чим більша К і h, тим більша щільність решітки). Під базисом решітки розуміють число атомів, яке припадає на одну елементарну комірку. Базис характеризує складність решітки. Метали можуть мати різні типии кристалічних структур (решітка), але частіше інших зустрічаються слідуючи: об’ємноцентрована кубічна, гранецентрована кубічна і гексагональна щільно упакована. Об’ємноцентрована кубічна (ОЦК) решітка має в елементарній комірці вісім іонів, розташованих у вершинах куба і один іон в його центрі. Характеризується ця решітка одним періодом – відстанню між центрами іонів, розташованих по одному ребру (період а). Величина а для кожного металу має своє власне значення. У гранецентрованій кубічній (ГЦК) решітці іони розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані. Центр куба залишається вільним. Кубічна гранецентрована решітка також характеризується одним періодом – довжиною ребра куба а. Цей тип решітки мають такі метали як мідь, нікель, алюміній, свинець, срібло, залізо при Т від 911оC до 1392оC та ін. У ГЦК кристалів К=12, h=0,74 і Б=4. Період решітки металів, які кристалізуються у кубічній сингонії, знаходиться у межах (2,85 – 6,06)*10-10м. Елементарна комірка гексагональної щільно упакованої (ГЩУ) решітки являє собою шестигранну призму. Іони розташовані у вершинах шестикутників і в їх ценрах. У середині призми утворено правильний трикутник з іонами в вершинах. Гексагональна щільно упакована решітка характеризується двома періодами решітки: стороною шестикутника а і довжиною ребра с. Найбільша щільність упаковки досягається при співвідношенні параметрів с/а=1,633 (наприклад, титан, кобальт, цинк та інші метали). У гексагональній системі а≈(2,26 – 3,97)*10-10м і с≈(3,56 – 6,51)*10-10м, К=12, h=0,74 і Б=6. Поняття анізотропії. Полікристалічна будова металів У кристалі можна провести велику кількість площин, що проходять через атоми, які ідентично розташовані у вузлах кристалічної решітки. Для кожної групи кристалографічних площин міжплощинні відстані і щільність розташування атомів на них будуть різними і, таким чином, будуть різними і сили взаємодії між цими площинами. Тому фізичні та механічні властивості кристала залежать від напрямку, в якому їх визначають. Це явище називається анізотропією властивостей. Воно дуже виявляється в монокристалах (одно кристалічних тілах). Так, у чистому залізі модуль пружності, наприклад, в різних напрямках змінюється від 1,35*105 МПа до 2,9*105 МПа, тобто (більше ніж у два рази).
Але, як відмічалось раніше, метали та сплави, які застосовують у техніці, не є монокристалами. Вони мають полікристалічну будову, тобто складаються з великого числа випадково орієнтованих одних відносно одного мікро кристалів (кристалітів). У різних кристалографічних площинах, проведених через центри атомів у кристалічних ґратках, число атомів і відстані між ними неоднакові. Наприклад, у площині, проведеній через основу г. щ.у., розміщено сім, а в площині її грані — чотири атоми. У зв'язку з цим властивості монокристалів (одиничних кристалів у вигляді геометрично правильної фігури багатогранника) у різних напрямках неоднакові. Таке явище називають Анізотропією.

Зливки металу можна розрізнити три зони з різноманітною структурою (рис. 1). Кристалізація рідкого металу починається у поверхні більш холодної форми й відбувається в тонкому сильнопереохлажденном шарі, що прилягає до поверхні. У результаті великий швидкості охолодження станеться освіту лежить на поверхні зливка дуже вузької зони 1 порівняно дрібнихравноосних кристалів. Малюнок 1. Схема будівлі сталевого зливка За зоною 1 вглиб зливка розташована зона 2 видовженихдендритних кристалів (зонатранскристаллизации). Зростання цих кристаликів відбувається у напрямі протилежному відведення теплоти (тобто нормально до стінокизложници). Що стосується сильного перегріву металу, швидкого охолодження, високої температури лиття і спокійного заповнення форми зона видовженихдендритних кристалів може цілком заповнити обшир зливка (рис. 1) (>транскристаллизация). При низької температури лиття, дуже повільному охолодженні, наприклад, великих виливків створюються умови до виникнення зародків у неповній середній частини зливка. Це спричиняє освіті у внутрішній частини виливки структурної зони 3, що зравноосних різна орієнтованихдендритних кристалів (рис.
1), розміри яких залежать від ступеня перегріву рідкого металу, швидкості охолодження, наявності домішок та інших. Домішки, перебувають у рідкому металі, сприяють розвитку зони дрібнихравноосних кристалів. Зонастолбчатих кристалів має високої щільністю, оскільки він маємо замало газових міхурів і раковин. Однак у ділянках стикустолбчатих кристалів, зростаючих від різних поверхонь, метал має знижену міцність, і за наступної обробці тиском у тих ділянках виникатимуть тріщини. Кристалізація, яка веде до стику зонстолбчатих кристалів, називаєтьсятранскристаллизации. >Жидкий метал має більший питомий обсяг, ніж твердий; тому метал, залитий до форми скорочується обсягом при кристалізації, що зумовлює освіті порожнин, званихусадочними раковинами (зображені темним кольором на рис. 1). >Усадочние раковини може бути сконцентровано у одному місці ми, або розсіяні з усього обсягу зливка.Усадочная раковина зазвичай оточена найбільш забрудненій частиною металу, у якому після затвердіння утворюються мікро- імакропори, бульки. Найчастішеусадочная раковина концентрується у верхній частині зливка,затвердевающей останнє. Частина зливка зусадочной раковиною пухким металом відрізають. Злиток має неоднорідний в перетині склад. Наприклад, в стали по напрямі від поверхні до центра і знизу вгору збільшується концентрація вуглецю і шкідливих домішок – сірки і фосфору. Хімічна неоднорідність щодо окремих зонам зливка називається зональноїликвацией. Вона негативно
впливає механічні властивості

Металевий сплав отримують сплавом двох або більш металів; сплавом переважно металів з неметалами; спіканням порошків декількох металів. Отримане з'єднання володіє вищими властивостями, ніж чисті метали.

Елемент, що входить до складу сплаву, називається компонентом. Компонент, переважаючий в сплаві кількісно, називаєтьсяосновним. Компоненти, що вводяться в сплав для додання йому потрібних властивостей, називаються легуючими. Сукупність компонентів сплаву називається системою. Залежно від природи компонентів і від співвідношення їх масових кількостей сплави після твердіння можуть утворювати механічні суміші, тверді розчини і хімічні сполуки. Завжди виходять з випадку необмеженої розчинності металів в рідкому стані.

Види сплавів:

Більшість металів при їх сумісному стопленні змішуються один з одним і, кристалізуючись, утворюють стопи чи інтерметаліди. Всі стопи, як і метали, у твердому стані є кристалічними. Стопи поділяють на однорідні й неоднорідні. Більшість стопів належить до неоднорідних.

Однорідні стопи (сплави) утворюються в тих випадках, коли атоми одного металу можуть заміщатися атомами іншого металу у вузла кристалічних ґраток. За такого заміщення творяться кристали зі структурою, що схожа на структуру вихідних металів, проте з атомами різного ґатунку, чим і зумовлена однорідність стопу (сплаву). Такі стопи звуть твердими розчинами. Тверді розчини утворює Аурум з Арґентумом, Нікол з Купрумом, тощо.

Неоднорідні сплави є механічною сумішшю кристалітів металів. До того ж кожний з металів зберігає свою кристалічну ґратку. Наприклад, структура стопів Стануму зПлюмбумом, які використовують як м'які припої, складається з кристалітів чистого Стануму та кристалітів чистого Плюмбуму.

Інші стопи (сплави)

Стопи можуть творити не лише два, а й кілька металів. Стопи з трьох металів звуть потрійними, тощо. Крім того, до складу стопів можуть уходити й неметали —Карбон, Фосфор, Сульфур тощо.

Деякі метали, стоплюючись, творять хімічні сполуки. До того ж одні хімічні сполуки підлягають правилам звичайної валентності (н-д, Mn₂Sn, Mg₂Pb тощо), а деякі не підлягають (н-д, CuZn₃, Cu₃Sn, Fe₃C тощо). Хімічні сполуки металів характеризуються власними кристалічними ґратками, відмінними від кристалічних ґраток металів, які входять до їхнього складу. За надлишку одного з металів хімічні сполуки можуть творити як тверді розчини, так і механічні суміші.

Головна частина діаграми стану сплавів «залізо-вуглець»

Діагра́ма ста́ну (діагра́ма фа́зової рівнова́ги) спла́вів «залі́зо-вугле́ць» — графічне відображення фазового стану сплавів заліза з вуглецем в залежності від їх хімічного складу і температури. Фазова діаграма стану «залізо-вуглець» є фундаментом науки просталь і чавун, як сплави заліза з вуглецем.

Вуглець із залізом утворює хімічну сполуку Fe₃C (цементит) або може перебувати у сплаві у вільному стані у вигляді графіту. Відповідно є дві діаграми сплавів «залізо-вуглець»: цементитна і графітна. Оскільки на практиці застосовують сплави заліза із вмістом вуглецю до 6,67% (що відповідає вмісту вуглецю у цементиті), то зазвичай розглядається частина діаграми стану від чистого заліза до вмісту вуглецю 6,67%, що відповідає цементиту і вона носить назву «цементитна». Оскільки цементит фаза метастабільна, то і відповідна діаграма називається метастабільною (суцільні лінії на рисунку).

Для сірих чавунів і графітизованих сталей слід розглядати стабільну діаграму «залізо-графіт» (Fe-Гр) оскільки саме графіт є стабільною фазою. Цементит утворюється набагато швидше графіту і в багатьох сталях і білих чавунах може існувати досить довго. У сірих чавунах графіт існує обов'язково. На рисунку тонкими пунктирними лініями показані лінії стабільної рівноваги (тобто за участю графіту), там де вони відрізняються від ліній метастабільної рівноваги (за участю цементиту), а відповідні точки позначені штрихом.

Дата добавления: 2015-08-27