КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

ВВЕДЕНИЕ

Металловедением называется наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучаю­щая закономерности их изменения при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях.

Все металлы и сплавы принято делить на две группы.

1. Чер­ные металлы- железо и сплавы на его основе (сталь, чугун).

2. Цветные - остальные металлы (Be, Mg, Al, Ti, V, Сг, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb и др.) и их сплавы.

Наибольшее применение нашли черные металлы. На основе железа изготовляется не менее 90—95 % всех конструкционных и инструментальных материалов. Широкое распространение железа и его сплавов связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью, высокими технологическими и механи­ческими свойствами. Стоимость цветных металлов во много раз выше стоимости железа и его сплавов.

Кобальт, никель, а также близкий к ним по свойствам мар­ганец нередко относят к металлам железной группы.

Цветные металлы по сходным свойствам подразделяют на легкие металлы (Be, Mg, Al, Ti), обладающие малой плотностью; легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Sn, Sb, Hg, Pb, Bi); тугоплавкие металлы (Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V и др.) с температурой плавления выше, чем у железа (1539 °С); благородные металлы (Ph, Pd, Ag, Os, Pt, Аи и др.). обладающие химической инертностью; урановые металлы (U, Th, Pa) — актиноиды, используемые в атомной тех­нике; редкоземельные металлы (РЗМ), лантаноиды (Се, Pr, Nd, Sm и др.) и сходные с ними иттрий и скандий, применяемые как присадки к различным сплавам; щелочноземельные металлы (Li, Na, К), используемые в качестве теплоносителей в ядерных реакторах.

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И СТРУКТУРНЫЕ МЕТОДЫИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Все металлы и металлические сплавы — тела кристал­лические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хао­тично.

Металлы (если их получают обычным способом) представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10^-1-10^-6 см), различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов.

В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами.

Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств:

1. высокими теплопроводностью и электрической проводимостью;

2. положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления; с повышением температуры электрическое сопро­тивление чистых металлов возрастает; большое число металлов (~30) обладает сверхпроводимостью (у этих металлов при темпе­ратуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротив­ление падает скачкообразно, практически до нуля);

3. термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;

4. хорошей отражательной способностью: металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском;

5. повышенной способностью к пластической деформации.

Наличие этих свойств и характеризует так называемое метал­лическое состояние веществ.

Чистые металлы в обычном структурном состоянии обладают низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуе­мых свойств, поэтому они применяются сравнительно редко. Наиболее широко используются сплавы. (Понятие чистый металл весьма условное. Под термином «чистый металл» понимают металл чистотой 99,99—99,999%. Во всех остальных случаях подразумевается технически чистый металл с малым количе­ством примесей (99,5—99,9%), получаемый обычным заводским способом.)

Сплавы получают сплав­лением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами.

Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплав может со­стоять из двух или большего числа компонентов.

В металловедении широко используются понятия «система», «фаза», «структура».

Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой. Фаза – это однородные составные части системы, имеющие одинаковый со­став, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегат­ное состояние и отделенные от составных частей поверхностями раздела.

Структура – это форма, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Различают:

макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении в 30—40 раз)

микроструктуру (строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях).

Макроструктуру исследуют на специальных макрошлифах (темплетах). Для приготовления макрошлифа, образцы вырезают из крупных заготовок (слитков, поковок и т д) или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, и подвергают травлению специальными реактивами.

При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом метилле; волокна в поковках и штамповых заготов­ках, дефекты, нарушающие сплошность металла (уса­дочную рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т. д.); химическую неоднородность сплава, вызванную процессом кри­сталлизации или созданную термической или химико-термичес­кой (цементация, азотирование и т. д.) обработкой.

Микроструктура показывает) размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их форму и размеры.

Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют микрошлиф, т. е. небольшой образец, одну из плос­костей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами.

Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе — опти­ческом или электронном.

Разрешающая способность оптического микроскопа, т. е. ми­нимальная величина объекта (детали структуры), которая раз­личима с его помощью, не превышает 0,2 мкм (200 нм). Полезное увеличение в оптическом микроскопе достигает примерно 2000 раз. Применение больших увеличений бесполезно, так как новые, более мелкие детали структуры не становятся видимыми, меняется только масштаб изображения, поскольку разрешающая способ­ность, определяемая волновой природой света, не меняется.

Разрешающая способность электронных микроскопов значи­тельно выше оптических. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны, дает возможность различать детали изучаемого объекта размером до 0,2—0,5 нм.

Наибольшее распро­странение нашли просве­чивающие электронные микроскопы и растровые электронные микроскопы (РЭМ).

Растровый микроскоп позволяет изучать непосредственно по­верхность металла, однако он имеет меньшую разрешающую спо­собность (25—30 нм), чем просвечивающий электронный мик­роскоп.

В последние годы для оценки металлургического качества металла, закономерностей процесса разрушения, влияния струк­турных, технологических и других факторов на разрушение широко применяют методы фрактографии — области знания о строении изломов.

Изломы изучают на макро- и микроуровне (при увеличениях до 50 тыс. крат и выше). Метод визуального изучения изломов, а также с помощью светового микроскопа при небольших увели­чениях называется фрактографией. Исследование особенностей тонкой структуры изломов под электронным и растровым мик­роскопом носит название микрофрактографии.

Для изучения атомно-кристалличеекого строения применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на дифракции рентгеновских лучей очень малой длиной волны (0,02—0,2 нм) рядами атомов в кристаллическом теле. Для этой цели кроме рентгенов­ских лучей используют электроны и нейтроны, которые также дают дифракционные картины при взаимодействии с ионами (ато­мами) металла.

В металловедении все шире применяют метод рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) для изучения распределения примесей и специально введенных элементов в сплавах. Метод РСМА определяет химический состав микрообластей на металло­графическом шлифе, при этом достигается разрешение порядка микрометров.

Для изучения металлов и сплавов нередко используют физи­ческие методы исследования (тепловые, объемные, электрические, магнитные). В основу этих исследований положены взаимосвязи между изменениями физических свойств и процессами, происхо­дящими в металлах и сплавах при их обработке или в результате тех или иных воздействий (термических, механических и др.). Наиболее часто применяют дифференциальный термический ана­лиз (построение кривых охлаждения в координатах температура— время).