Кристаллизация металлов. Аллотропия металлов и железа.
Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах температура-время (рис. 1). Теоретический, т. е. идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения протекает при температуре Тs (рис. 1). При достижении идеальной температуры затвердевания Ts падение температуры прекращается. Это объясняется тем, что перегруппировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выделяется скрытая теплота кристаллизации). Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается.
Рис. 1. Кривые кристаллизации металла при охлаждении с разной скоростью
Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т. е. при переохлаждении металла до температур Тn, Tn1, Тn2, (например, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (∆T=Ts-Тn) зависит от природы и чистоты металла и скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла становятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных условиях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов.
Некоторые металлы (железо, титан, кобальт, цирконий и др.) при разных температурах имеют различные кристаллические решетки. Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией. Процесс перехода из одного кристаллического строения в другое называется полиморфным (аллотропическим) превращением.
Строение, получающееся в результате полиморфного превращения, называется аллотропической формой. Аллотропическая форма, устойчивая при более низкой температуре, обозначается индексом a, при более высокой – b, g и так далее.
Температура, при которой происходит переход решетки из одного вида в другой, называется температурой полиморфного превращения или температурой перекристаллизации. При этом изменяются свойства металла (плотность, теплопроводность, теплоемкость и др.).
Аллотропические превращения при нагревании происходят с поглощением тепла, а при охлаждении с его выделением. Как при нагревании, так и при охлаждении аллотропические превращения происходят с некоторым запаздыванием. Так, превращение a – модификации в b – модификацию, происходящее при нагревании, будет всегда выше температуры превращения b в a, происходящее при охлаждении. Такое явление называется гистерезисом.
Испытание металлов на твердость. Определение твердости методом викерса. Обозначение. Область применения.
Твердостью-называется сопротивление материала проникновению в него другого тела, более твердого, не получающего остаточных деформаций.
Существуют следующие методы испытания твердости:
-метод Бринеля (вдавливание стального шарика),
-метод Роквелла (вдавливание алмазного конуса или стального шарика),
-метод Виккерса (вдавливание алмазной пирамиды),
-метод определения микротвердости,
-метод Шора (метод упругой отдачи).
Твердость по Виккерсу – это твердость материала, вычисленная из размера отпечатка, произведенного нагружением алмазной пирамидки индентора. Индентор, применяемый в тестах по Виккерсу, это пирамидка с квадратным основанием, противопложные стороны которой сходятся на вершине под углом 136º. Алмаз продавливает поверхность материала при нагрузках приблизительно 120 кгс, а размер отпечатка (обычно не более 0.5 мм) измеряется на калиброванном микроскопе. Число Виккерса (HV) рассчитывается по формуле:
HV = 1.854(F/D2),
где F приложенная нагрузка (измеренная в кгс), а D2 площадь отпечатка (измеренная в квадратных миллиметрах).
Приложенная нагрузка обычно определяется при приведенном HV. Тест по Виккерсу надежен для измерения твердости металлов, а также используется для керамических материалов. Метод испытаний по Виккерсу похож на тест по Бринеллю. Точнее чем использование индентора типа стального шарика по Бринеллю, где необходимо рассчитывать площадь сферы отпечатка, приборы по Виккерсу используют пенетратор в форме квадрата с заостренными концами, т.е. имеет внешний вид игральной карты «бубны». Индентор по Виккерсу 136-градусный алмазный конус с квадратным основанием, алмазный материал индентора имеет преимущество перед другими инденторами, т.к.. он не деформируется с течением времени и использования. Отпечаток от пенетратора по Виккерсу это темный квадрат на светлом фоне. Отпечаток по Виккерсу легче «считается» по площади, чем круглый отпечаток по методу Бринелля. Как и по Бринеллю, число Виккерса рассчитывается делением нагрузки на площадь поверхности отпечатка (H = P/A). Нагрузки варьируется от 1 до 120 килограмм.
Для выполнения теста по Виккерсу образец помещается на наковальню, которая имеет резьбовое основание. Наковальня поворачивается вверх до тех пор, пока не подойдет вплотную к индентору. Стартовый рычаг активируется, и нагрузка постепенно прикладывается к индентору. Затем нагрузка сбрасывается, и наковальня с образцом опускается. Процесс приложения и сбрасывания нагрузки контролируется автоматически. Несколько нагрузок дают практически идентичные значения твердости на одинаковом материале, что гораздо лучше, чем произвольное изменение шкалы на других твердомерах. Филярный микроскоп поворачивается над образцом для измерения квадратного отпечатка с допуском плюс/минус 1/1000 миллиметра. Измерения, сделанные по диагоналям квадратного отпечатка, усредняются.
Правильное обозначение по Виккерсу – это число, за которым следует "HV" (Твердость Виккерса). Преимуществом измерений твердости по Виккерсу является то, что могут быть сделаны очень точные считывания и то, что только один тип индентора используется на всех типах металлов и исследованиях поверхности.