Курс лекций по "Материаловедению"

 

2. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

 

Металлические материалы. 83 из известных 112 химических элементов  таблицы Менделеева Д. И. являются металлами. Они обладают рядом характерных свойств:

• высокой тепло- и электропроводностью;
• положительным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление растет);
• термоэлектронной эмиссией (испусканием электронов при нагреве);
• хорошей отражательной способностью (блеском);
• способностью к пластической деформации;
• полиморфизмом.

Наличие перечисленных свойств обусловлено металлическим состоянием вещества, главным из которых является наличие легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости.

Металлическое состояние возникает в совокупности атомов, когда при их сближении внешние (валентные) электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими и свободно перемещаются между положительно заряженными, периодически расположенными ионами. Силы притяжения (силы связи) в твердых телах существенно отличаются по своей природе. Обычно рассматривают четыре основных типа связей в твердых телах: ван-дер-ваальсовые, ковалентные, металлические, ионную.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной ячейкой.

Для характеристики элементарной ячейки используют параметры кристаллической решётки: три ребра а, в, с, измеряемых в ангстремах (1Å = 1* 10^-8см) или в килоиксах – kX (1kX = 1,00202 Å) и три угла a, b, g, а также компактность структуры h  - отношение объема, занимаемого атомами, к объёму ячейки ( для решётки ОЦК h = 64 %, для решётки ГЦК h = 74 %) и координационное число К  - число ближайших соседей данного атома: для решётки ОЦК это число равно 8, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат восьми элементарным ячейкам (рис.2.1.а), для решётки ГЦК это число равно 12, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат двенадцати элементарным ячейкам (рис. 2.1.б).

 

 

 

Рис.2.1. Схема определения координационного числа кристаллической решётки: а – ГЦК; б – ОЦК; в – ГПУ

 

Простейшим типом кристаллической  ячейки является кубическая решётка.

 

2.2. Дефекты кристаллического строения

 

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. Реальные кристаллы всегда содержат несовершенства (дефекты) кристаллического строения, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве:

1. Точечные. Точечными дефектами называются нарушения периодичности кристалла, размеры которых сопоставимы с размерами атома во всех измерениях.

К точечным дефектам относятся  вакансии, межузельные атомы, примеси  замещения, примеси чужеродных атомов внедрения (рис. 2.5).

Вакансии и межузельные  атомы появляются в кристаллах при  любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация вакансий, а также межузельных атомов. Например, в меди при температуре 20-25 ^оС содержится 10^-13 ат. % вакансий, а вблизи точки плавления - уже 0,01 ат. % (одна вакансия приходится на 10⁴ атомов).

Пересыщение точечными дефектами  достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и  при облучении нейтронами. Чем  выше температура, тем больше концентрация вакансий и тем чаще они переходят от узла к узлу. Вакансии являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещениями атомов: диффузию, спекание порошков и т. д.

2. Линейные. Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла.

3. Поверхностные (двумерные). Под этими дефектами понимают нарушения, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в несколько межатомных расстояний в третьем измерении.

К поверхностным дефектам относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен.

4.Объемные (трехмерные). Под ними понимают нарушения, которые в трех измерениях имеют неограниченные размеры. К таким нарушениям относят трещины, поры, усадочные раковины.

 

 

 

4.2.2. Твердость – способность материалов сопротивляться пластической  или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела, которое называется индентором.

Существует разные методы определения твердости.

Твердость по Бринеллю определяется как отношение нагрузки при вдавливании стального шарика в испытуемый материал к площади поверхности полученного сферического отпечатка (рис. 4.7а).

 

HB = 2P / pD [D - Ö D² – d²],

где Р – нагрузка, кгс;

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр лунки, мм

 

Рис. 4.7. Схемы испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

 

Твердость по Роквеллу определяется глубиной проникновения в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120^о или закаленного шарика диаметром 1,588 мм (рис. 4.7.б).

Конус или шарик вдавливают двумя  последовательными нагрузками:

• предварительной Р_о = 10 н;
• общей Р = Р_о + Р₁, где Р₁ – основная нагрузка.

Твердость обозначается в условных единицах:

- для шкал А и С     HR = 100 – (h – h_o) / 0,002

- для шкалы В      HR = 130 – (h – h_о) / 0,002

Для определения твердости  используется алмазный конус при  нагрузке 60 Н (HRA), алмазный конус при нагрузке 150 Н (HRC) или стальной шарик диаметром 1,588 мм (HRB).  

Твердость по Виккерсу измеряют для деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой.

Эта твердость определяется как отношение нагрузки при вдавливании  в испытуемый материал алмазной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136^о к площади поверхности полученного пирамидального отпечатка (рис. 4.7.в):

 

HV = 2P * sin a/2  / d² = 1,854 P/d²,                         

где P – нагрузка, кгс;

a = 136^о – угол между гранями;

d – среднее арифметическое длин обеих диагоналей, мм. 

Величину HV находят по известному d согласно формуле или по расчетным таблицам согласно ГОСТ 2999-75.

 

7 АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ  «ЖЕЛЕЗО - УГЛЕРОД»

 

Компоненты системы – железо Fe и углерод С (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Диаграмма состояния «Железо – карбид железа» (Fe – Fe₃C)

 

Особенности диаграммы определяются полиморфизмом железа и углерода, а также ферромагнетизмом железа:

- от 1539 – 1392 ^оС железо имеет решетку ОЦК, такая модификация железа называется d (Fe);

- от 1392 – 911 ^оС железо имеет решетку ГЦК, такая модификация железа называется g(Fe);

- ниже 911 ^оС железо имеет решетку ОЦК, такая модификация называется a(Fe);

- при температуре 768 ^оС железо теряет магнитные свойства, и эта температура называется точкой Кюри.

В каждой модификации железа растворяется строго определенное количество углерода с образованием твердых растворов внедрения:

- d - феррит – раствор углерода в d(Fe) с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в d(Fe) составляет 0,1 % при температуре 1499 ^оС;

- аустенит – твердый раствор  углерода в g(Fe) с ГЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в g(Fe) составляет 2,14 % при температуре 1147 ^оС;

- a - феррит – твердый раствор углерода в a(Fe) с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в a(Fe) составляет 0,025 % при температуре 727 ^оС.

Кроме указанных выше твердых растворов  в системе Fe – С образуются две высокоуглеродистые фазы:

- цементит – химическое соединение Fe₃С со сложной орторомбической решеткой, которое содержит 6,67 % углерода и имеет температуру плавления Т_пл = 1260 ^оС . Эта фаза метастабильная, способная к распаду (Fe₃С ® 3Fe + С_гр);

- графит – модификация углерода с ГПУ решеткой. Эта фаза стабильная, состоит на 100 % из углерода и имеет температуру плавления Т_пл = 3600 ^оС.

В дополнение к фазам  в виде твердых растворов на диаграмме  имеются области существования механических смесей:

- перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, содержащая 0,8 % С (рис. 7.1, точка S);

- ледебурит – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита в интервале температур 1147 – 727 ^оС или перлита и цементита при температурах ниже 727 ^оС, содержащая 4,3 % углерода (рис. 7.1, точка С).

Сплошными линиями изображена диаграмма  Fe – Fe₃C, штриховыми – диаграмма Fe – С (рис.7.1). Основной является диаграмма Fe – Fe₃С. Однофазные области диаграммы:

• выше линии ABCD (линия ликвидус) – жидкость (L);
• область AHN – область d - феррита;
• область NJESG – область аустенита;
• область GPQ – область a - феррита;
• линия LD или KD – область цементита Fe₃C.

Остальные области диаграммы (рис. 7.1) – двухфазные: ледебурит, перлит и их комбинации.

 

7.1. Характеристика линий и точек диаграммы Fe – Fe₃C

 

Линия АВСD - линия ликвидус – линия начала кристаллизации сплава и состоит она из трех частей:

• AB – начало образования d- феррита;
• BC – начало кристаллизации аустенита;
• CD – начало кристаллизации цементита Fe₃C.

Линия AHJECF – линия солидус – линия конца кристаллизации сплава и состоит она из нескольких частей:

• AH – конец кристаллизации d- феррита;
• JE – конец кристаллизации аустенита;
• HJB - линия перитектического превращения:

 

Ж_в + Fe_dH ¹⁴⁹⁹ ® Fe_gJ      или         Ж_В + Ф_H ¹⁴⁹⁹®    A _аусJ

 

• ECF – линия эвтектического превращения:

 

Ж_с ¹¹⁴⁷® g_Е + Fe₃C_F         или        Ж_с ¹¹⁴⁷® А_Е + Ц_I

 

Остальные линии соответствуют  превращениям в твердом состоянии:

• NH и NJ (А₄) – линии начала и конца полиморфного превращения Fe_d « Fe_g;

- GS (А₃)  и GP – линии начала и конца полиморфного превращения Fe_g « Fe_a;

• ES(А_ст) – линия выделения вторичного цементита из аустенита (Fe₃C_II) за счет изменения растворимости углерода в g-железе. Эта линия называется линия сольвиус;
• PQ – линия выделения третичного цементита (Fe₃C_III) за счет изменения растворимости углерода в a- железе;
• PSK (А₁) – линия эвтектоидного превращения во всех сплавах независимо от содержания углерода:

 

Fe_gS  ⁷²⁷ ®  Fe_aP + Fe₃C_k   или  А_уст ® Ф_Р + Ц_II

 

• KD – линия существования химического соединения Fe₃C (цементит);
• MO (А₂) – 768 ^оС - линия магнитного превращения феррита (потеря магнитных свойств  железа).

Физический смысл точек  диаграммы:

• A – температура плавления и кристаллизации чистого железа;
• B – перитектическая точка;
• C – эвтектическая точка;
• D – температура плавления и кристаллизации цементита;
• N и G - температуры полиморфных превращений чистого железа;
• H – предельная растворимость углерода в d - железе;
• E – предельная растворимость углерода в g - железе;
• S – эвтектоидная точка;
• P и Q – точки предельной растворимости углерода в a - железе;
• M – точка магнитного превращения железа (точка Кюри).