Навигация
Кристаллическое строение металлов и её влияние на свойства металлов
35167
знаков
0
таблиц
5
изображений
2. Кристаллическое строение металлов и её влияние на свойства металлов
У металлов электроны на внешних оболочках имеют слабую связь с ядром, легко отрываются и могут свободно перемещаться между положительно заряженными ядрами. Следовательно, в металле положительно заряженные ионы окружены коллективизированными электронами. Так как эти электроны подвижны аналогично частицам газа, то используется термин «электронный газ».
Металлургический тип связи характерен тем, что нет непосредственного соединения атомов друг с другом, нет между ними прямой связи. Атомы в металлах размещаются закономерно, образуя кристаллическую решетку.
Кристаллическая решетка – это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают колебательные движения. В итоге образуются фигуры правильной геометрической формы – кристаллическая решетка (рис. 1).
Рис. 1
Расстояния (а, b, с) между атомами, т.е. параметры кристаллической решетки, находятся в пределах 2…6A (1A=10–8 см). Каждый атом принадлежит 8 кристаллическим решеткам. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, свойства в различных направлениях одинаковы, а в кристаллических телах расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, поэтому различны и свойства. Тип кристаллической решетки (рис. 2) зависит от металла, температуры и давления. Это используется при термообработке металлов для упрочнения их.
Реальные металлы состоят из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве относительно друг друга. На границах зерен атомы кристаллов не имеют правильного расположения, здесь скапливаются примеси, дефекты и включения. Экспериментально установлено, что внутреннее кристаллическое строение зерен не является правильным. В решетках имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связь между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.
Рис. 2 Виды кристаллических решеток
Имеются следующие несовершенства в кристаллических решетках:
1. Точечные (рис. 3):
а) Наличие вакансий, т.е. мест в решетке, не занятых атомами. Это происходит из-за смещения атомов от равновесного состояния. Число вакансий увеличивается с ростом температуры.
Рис. 3 Дефекты кристаллической решетки
б)
Дислоцированные атомы, т.е. атомы вышедшие из узла решетки и занявшие место в междоузлии. в) Примесные атомы, т.е. в основном металле имеются чужеродные примеси. Например, в чугуне основными атомами являются атомы железа, а примесными – атомы углерода, которые или занимают место основного атома, или внедряются внутрь ячейки.
2. Поверхностные несовершенства, имеющие небольшую толщину при значительных размерах в двух других направлениях.
3. Линейные несовершенства (цепочки вакансий, дислокаций и т.д.). Линейные дефекты малы в двух направлениях и значительно большего размера в третьем.
Количество дефектов в металле оказывает существенное влияние на его прочность. На первом участке кривой (рис. 4) при минимуме дислокаций меньше возможностей для сдвига атомов по кристаллической решетке, поэтому будет максимум прочности металла (теоретическая, недостижимая прочность). Путем восстановления из хлористого или бромистого железа в лабораторных условиях выращивают «усы» кристаллов железа длиной до 10 см и диаметром 0,5 … 1 мкм, имеющие относительно высокую прочность на растяжение (бb = 1200 …1300 кгс / мм2). Для сравнения, высокопрочная сталь имеет прочность всего 150 …200 кгс / мм2, т.е. на порядок ниже, а прочность железных «усов» примерно в 100 раз выше, чем у обычного железа (минимум на кривой).
Повышение прочности с увеличением плотности дислокаций выше их критического значения объясняется тем, что имеются не только параллельные, но и взаимопересекающиеся (объемные) дислокации. Они препятствуют взаимному перемещению металла и, как результат, приводят к увеличению прочности металла.
Рис. 4 Влияние количества дефектов на прочность сплава (стали)
Все современные способы упрочнения металлов (легирование, закалка, прокатка, ковка, штамповка, волочение и т.д.) – это увеличение количества дефектов в металле. Наивысшая прочность, которую можно получить путем увеличения количества дефектов в металле, составляет около 1/3 от теоретически возможной (идеальной) прочности.
Кристаллизация металлов
Рис. 5 Кривые нагрева и охлаждения аморфного тела
При нагреве и охлаждении (рис. 5) аморфных тел (смола, стекло, пластмассы,…) при переходе из жидкого в твердое состояние качественных изменений не происходит. В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично, как и в жидком, имеют только меньшую степень перемещения. Из рис 1. 5 видим, что температура плавления Тпл равняется температуре кристаллизации Ткр, а переход из одного состояния в другое (из твердого в жидкое – точка Тпл, и из жидкого в твердое – точка Ткр) происходит скачкообразно.
По другому ведут себя металлы (рис. 1.6). На участке 1 – 2 происходит нагрев металла; кристаллическая решетка сохраняется, но атомы увеличивают амплитуду колебаний за счет поглощенной тепловой энергии. На горизонтальном участке 2 – 3 также подводится тепло, но температура Тпл не повышается, т. к. подводимое тепло целиком расходуется на разрушение кристаллической решетки. Атомы переходят в неупорядоченное (жидкое) состояние. После разрушения последнего участка кристаллов, после точки 3 начинается повышение температуры жидкого металла по линии 3 – 4.
При охлаждении (4 – 5) на горизонтальном участке 5 – 6 происходит кристаллизация, при которой выделяется тепло, поэтому процесс проходит при постоянной температуре Ткр. Кристаллизация металла происходит не при температуре t, величина, которая зависит от D плавления Тпл, а при некотором переохлаждении природы металла, наличия примесей и от скорости охлаждения.
Кристаллизация начинается с того, что при понижении температуры до значения Ткр начинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации (зародышами). При дальнейшем уменьшении энергии металла происходит рост кристаллов и в то же время в жидкости возникают новые центры кристаллизации, т.е. процесс кристаллизации состоит из двух одновременно происходящих процессов: зарождение новых центров кристаллов и роста кристаллов из ранее образованных центров. Мелкокристаллический металл более твердый и прочный, чем крупнокристаллический. Следовательно, подбором температуры переохлаждения t можно регулировать механические характеристики металла. Многое зависит от количества нерастворимых примесей, которые являются центрами кристаллизации. Чем больше этих частиц, тем меньше зерна металла. Полученная в конверторе или в мартене, сталь (0,5…3 тн) заливается в изложницу. Большой перепад температур (свыше 1500 С) будет между расплавленным металлом и атмосферой по высоте и ширине слитка. В результате на поверхности слитка, т.е. там, где имеется наибольший перепад температур, будет мелкозернистая структура, а в центре слитка при минимальном перепаде температур возникнут при кристаллизации крупные, а между ними – столбчатые кристаллы.
Похожие работы
... шихты на 1 тонну годных слитков и стоимости передела. Она включает также расход энергии, электродов, огнеупоров, изложниц, зарплату персоналу. Основные технико-экономические показатели способов производства стали. Показатель Способ производства стали конвертер-ный мартеновский электропла-вильный Вместимость плавильного агрегата, т. 250-400 400-600 200-300 Выход годного (стали),% ...
... ферромарганец в количестве, обеспечивающем заданное содержание марганца в стали, а также производят науглероживание, если выплавляют высокоуглеродистые стали (до 1,5% С). Производство стали в электропечах относится к области техники, именуемой общим понятием «электрометаллургия». По сути, электрометаллургия охватывает все промышленные способы получения металлов и сплавов с помощью электрического ...
... и снижения окисления железа в шлак. Технико-экономические показатели работы конвертеров включают производительность, себестоимость и качество. Кислородно-конвертерный процесс является самым производительным из всех процессов производства стали. Современный конвертерный цех с двумя конвертерами (один – в работе, другой – в ремонте) обеспечивает производство до 5 млн. т стали в год. Себестоимость ...
0 комментариев