Аллотропические превращения в металлах
Кристаллизация и аллотропические превращения металлов
В чистых металлах и сплавах при определенных температурах происходит изменение агрегатного состояния: твердое состояние сменяется жидким при температуре плавления. При обратном переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка и возникают кристаллы. Этот процесс называется кристаллизацией.
Основы кристаллизации разработаны русским ученым Д. К. Черновым, который установил два составных процесса кристаллизации: зарождение мельчайших частиц кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и рост из них кристаллов.
Процесс кристаллизации схематично представлен на рис. 1. Здесь на площади, ограниченной окружностями, показаны последовательные этапы зарождения из атомов первичных центров кристаллизации, их роста и возникновения новых зародышей, дальнейшего Роста кристаллов до соприкосновения их граней и окончания процесса кристаллизации. В результате образуется структура зерен кристаллов с неправильной геометрической формой.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
Величина верен зависит от количества зародышей кристаллизации и скорости их роста. На рис. 4 схематично показано влияние скорости охлаждения на возникновение центров кристаллизации и величину зерен. Если скорость охлаждения мала, то возникает небольшое число зародышей и в конце кристаллизации образуются крупные зерна. При большой скорости охлаждения количество зерен возрастает, но они становятся мельче. Это можно наблюдать на практике — в тонких сечениях литых деталей, где структура стали мелкозернистая, так как происходит быстрое охлаждение. Чтобы сделать зерно мелким, в металл вводят специальные вещества — модификаторы. Процесс искусственного регулирования величины зерел получил название модифицирования.
Рис. 2. Влияние скорости охлаждения на процесс кристаллизации: а — медленное охлаждение; б — ускоренное охлаждение; в — быстрое охлаждение
Рис. 4. Кривые охлаждения при кристаллизации: 1 — теоретическая кривая; 2 — кривая реального процесса
Процесс образования кристаллов носит дендритный (древовидный) характер, на что впервые обратил внимание Д. К. Чернов. Сущность его состоит в том, что после образования зародышей рост их идет по направлениям кристаллической решетки, где имеется меньшая плотность упаковки атомов. Поэтому образуются оси первого порядка, затем от них под определенными углами начинают формироваться оси второго порядка, от них растут оси третьего порядка и т. д. В результате заполняется все пространство и образуется структура (дендрит), внешне напоминающая строение дерева. Если условия кристаллизации благоприятны, то могут возникнуть огромные дендриты, достигающие в длину нескольких десятков сантиметров. Нормальные дендриты в литых металлах имеют длину, равную всего нескольким миллиметрам. После горячей механической обработки (ковки, прокатки и прессовки) дендриты вытягиваются вдоль направления течения металла и образуют волокна, которые при наилучшем расположении распределяются вдоль контура изделия. Это оказывает положительное влияние на его механические свойства.
Для определения температуры кристаллизации металла термическим методом используют термоэлектрический пирометр, состоящий из термопары и гальванометра. Термопару помещают в расплав металла и по величине термоэдс измеряют температуру охлаждения через определенные промежутки времени, получая кривую охлаждения
Теоретически кривая охлаждения имеет вид, показанный на рис. 4 (кривая 1). Здесь при охлаждении начало кристаллизации (точка А) совпадает с равновесной температурой кристаллиэа-ции Тк. Далее процесс кристаллизации до ее окончания (точка Б) проходит при постоянной температуре, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации. По окончании этого процесса температура вновь начинает понижаться.
В реальных условиях затвердение металла не может происходить при равновесной температуре Тк, а начинается при более низкой температуре Тф (кривая 2), которая называется фактической температурой кристаллизации или температурой переохлаждения. Для большинства металлов температура переохлаждения очень незначительно отличается от равновесной (теоретической) температуры кристаллизации. Однако при увеличении скорости охлаждения температура Тф понижается.
Аллотропические превращения возникают в структуре кристаллической решетки некоторых металлов при изменении температуры. Они представляют собой перегруппировку атомов и переход одного вида кристаллической решетки в другой, Существование одного металла в нескольких кристаллических формах называется аллотропией, или полиморфизмом, а процесс перехода из одной кристаллической формы в другую — аллотропическим превращением.
Различные кристаллические формы металла называются аллотропическими, или полиморфными, модификациями и обозначаются начальными буквами греческого алфавита а, р, у и т. д. Буква ос обозначает модификацию металла, существующего при самой низкой температуре. Следующие буквы относятся к модификациям с более высокой температурой.
Процесс аллотропического превращения происходит при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации при охлаждении (или поглощением при нагреве). Вследствие этого аллотропическое превращение отмечается на кривой охлаждения горизонтальной линией.
Например, железо может существовать в нескольких модификациях (рис. 5). До температуры 911 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку. При 768 °С на кривой охлаждения получается ступенька, связанная не с перестройкой решетки, а с потерей магнитных свойств До этой температуры телезо магнитно и называется а-железо, а выше указанной температуры желе-80 теряет магнитные свойства и до температуры 911 °С называется железо.
В интервале температур 911—1392 °С железо образует гране-центрированную кубическую решетку и называется v-железо. Высокотемпературная модификация железа устойчивая, при температурах от 1392 °С до 1539 °С, имеет объемно-центрированную кубическую решетку а-железа и в отличие от него называется 3-железо.
Аллотропические превращения различных металлов имеют свои особенности. Знание их необходимо для практического использования при получении сплавов, а также для проведения термической пли химико-термической обработки.
Превращения в металлах и сплавах в твердом состоянии
Превращения в металлах и сплавах в твердом состоянии по своей физической сущности во многом напоминают кристаллизацию жидких металлов. Эти превращения называют фазовой перекристаллизацией, а при их исследованиях используют те же подходы в отношении механизмов и кинетики формирования новой фазы, включая образование зародышей и последующий их рост.
В чистых металлах основными превращениями в твердом состоянии являются аллотропические (полиморфные), а также магнитные превращения. В сплавах превращения в твердом состоянии дополняются целым рядом превращений, таких как эвтектоидное, перитектоидное, растворение и выделение избыточных фаз и др. Их изучение потребует знания диаграмм фазового равновесия и будет кратко рассмотрено позже.
Аллотропическим (полиморфным) превращением называют изменение пространственной решетки кристаллического тела. В качестве примеров аллотропических превращений можно привести превращение низкотемпературной аллотропической формы a - Fe с объемно-центрированной кубической решеткой в высокотемпературную форму g - Fe с гранецентрированной кубической решеткой, при температуре 911 °С и последующее превращение при температуре 1392 °С g - Fe в d - Fe с объемно-центрированной кубической решеткой, аналогичной a - Fe. Аналогичные превращения можно наблюдать в титане, цирконии и т.д. В титане и цирконии низкотемпературной аллотропической формой являются a - Ti, a - Zr с гексагональной плотноупакованной решеткой. При температуре выше 882° С для титана и 862° С для циркония образуются b - Ti и b - Zr, обладающие объемно-центрированной решеткой.
Аллотропическое превращение заключается в том, что атомное строение кристаллического тела изменяется при нагреве и охлаждении при переходе через критическую точку. Сам процесс перестройки кристаллической решетки происходит изотермически при постоянной температуре, кривая охлаждения сплава претерпевающая аллотропические превращения, аналогична кривой, наблюдаемой при затвердевании жидкого металла (рисунок 2. 11). Температура перехода называется критической точкой превращения. При температуре (Т0) наблюдается фазовое равновесие двух аллотропических разновидностей.
| Рисунок 2.11. Термическая кривая для случая аллотропического при охлаждении | Рисунок 2.12. Изменение свободной энергии системы при аллотропическом превращении |
Аналогично процессу кристаллизации аллотропическое превращение идет с поглощением тепла при нагреве и выделением его при охлаждении. Аллотропическое превращение (также по аналогии с процессом кристаллизации) происходит путем образования зародышей и их последующего роста, в связи с чем оно протекает всегда с наличием переохлаждения (при охлаждении) и перенагрева при нагреве.
Аллотропическое превращение происходит так же как и процесс кристаллизации, в связи со стремлением системы к уменьшению свободной энергии, и поскольку линии, характеризующие изменения свободной энергии в зависимости от температуры, пересекаются при температуре Т0 (рисунок 2.12). При температурах выше Т0 стабильной является b - фаза, при более низкой температуре стабильной оказывается a - фаза, имеющая меньший запас свободной энергии.
В процессах кристаллизации основным препятствием образования твердых кристаллов являются затраты энергии на образование границы раздела фаз. Это вызывает необходимость переохлаждения для начала процесса кристаллизации.
При аллотропическом превращении кроме энергии, затрачиваемой на образование границы раздела фаз, необходимы дополнительные затраты энергии на преодоление упругого сопротивления твердой фазы, связанные с тем, что полиморфные превращения всегда приводят к изменением объема. Поскольку затраты энергии для образования зародышей при аллотропическом превращении больше, чем при кристаллизации из жидкого состояния, то переохлаждение при превращениях в твердом состоянии должны быть гораздо больше, чем при кристаллизации.
Аллотропические превращения могут протекать по двум механизмам:
1. диффузионным (нормальным) путем,
2. бездиффузионным (мартенситным) путем.
В отдельных металлах эти превращения могут протекать как по одному, так и по другому механизму, что будет зависеть от скорости охлаждения.
Диффузионный механизм аллотропического превращения заключается в том, что атомы, располагающиеся в решетке высокотемпературной модификации путем диффузионного перемещения, занимают новые места, характерные для новой аллотропической формы: низкотемпературной модификации.
Следовательно, развитие диффузионного механизма аллотропического превращения наиболее благоприятно при высоких температурах, обеспечивающих большую скорость диффузионного перемещения атомов. Кроме того, если температура превращения настолько высока, что обеспечивает высокую пластичность, то затраты энергии на преодоление упругого сопротивления тела образованию и росту новой фазы, отличающейся от новой фазы удельным объемом становятся меньше, в связи с чем аллотропическое превращение протекает при минимальном переохлаждении. Зародыши новой фазы появляются на границах зерен старой фазы и на других дефектах кристаллов. В дальнейшем происходит рост этих зародышей за счет перехода атомов из старой фазы в новую. Наряду с этим наблюдается продолжение зарождения новых зародышей образующейся фазы.
При переходе металла из одного кристаллографического состояния в другое происходит не только изменение кристаллической структуры, но и имеет место полный процесс фазовой перекристаллизации, при которой на месте старых зерен образуются совершенно новые зерна с новым расположением границ. Причем на месте старого одного зерна могут возникнуть несколько новых или на месте нескольких старых - одно новое зерно.
Этот процесс зависит, главным образом, от скорости охлаждения и степени переохлаждения, которые в основном определяют количество образующихся в единицу времени центров кристаллизации и скорость роста новой фазы. Чем выше скорость охлаждения и выше степени переохлаждения, тем больше количество центов кристаллизации, тем более дисперсными являются зерна новой фазы.
Поскольку аллотропические превращения происходят в твердой среде, наиболее интенсивно процесс фазовой перекристаллизации будет происходить в том случае, если длина диффузных путей будет минимальной. А это означает, что при образовании зародышей должен соблюдаться принцип структурного и размерного соответствия. Он сформулирован С.Т. Конобеевским и заключается в том, что: "форма и ориентировка зародышей новой фазы при кристаллизации должны соответствовать минимуму поверхностной энергии при данном объеме, а минимум поверхностной энергии обеспечивается при максимальном сходстве в расположении атомов на соприкасающихся гранях старой и новой фаз".
 | Рисунок 2.13. Близкие по строению плоскости в решетке ОЦК и в ГЦК решетке |
Поэтому зарождение новой фазы начинается на плоскостях, которые являются наиболее сходными у обеих кристаллических решеток. Например, при переходе g - Fe в a - Fe наибольшее сходство имеют плоскости в g - Fe и в a - Fe (рисунок 2.13).
Преобразованием плоскостей g в a и направлений [110] g в [111] a во всем объеме металла протекает рассматриваемое аллотропическое превращение. При этом происходит лишь небольшой поворот кристаллографических направлений, при котором обеспечиваются углы 70°30¢ и 54°45¢ соответствующие расположению атомов в объемно-центрированном кубе.
Форма выделений новой фазы в основном определяется упругой энергией, возникающей при выделении. Если при аллотропическом превращении наблюдается большая степень размерного и структурного соответствия кристаллов старой и новой фаз, упругая энергия системы минимальна, а кристаллы новой фазы имеют форму дисков (пластин). Кроме того, на форму выделяющихся кристаллов оказывает влияние степень анизотропии упругих свойств обеих фаз. Если модули упругости возникающей фазы для всех направлений меньше, чем модули переходной фазы, в этом случае форма выделений - диски или пластины. Если модуль новой фазы только для одного из направлений меньше, чем модуль исходной фазы, то может появиться игольчатая форма выделений.
Появление новой фазы с новым удельным объемом может способствовать развитию сопутствующих процессов, таких как наклеп (фазовый) и рекристаллизации. Кроме того, на развитие аллотропии может оказывать влияние наличие примесей, которые могут играть роль дополнительных зародышевых центров. Все эти дополнительные параметры могут оказать влияние на окончательную структуру и свойства металла, претерпевшего аллотропическое превращение. В результате собирательной рекристаллизации, сопутствующей аллотропическому превращению, происходит укрупнение зерна, причем тем больше, чем выше температура нагрева. В случае же нагрева до температур, лежащих выше критической точки, когда происходит образование зерен новой фазы, но не успевает начаться укрупнение зерна, обычно получается очень маленькое зерно.
Бездиффузионный или мартенситный механизм аллотропического превращения осуществляется при низких температурах, при которых диффузия или самодиффузия почти не осуществляется. Это превращение происходит или в металлах с низкой температурой аллотропического перехода или при сильном переохлаждении высокотемпературной аллотропической формы в металлах с высокой температурой превращения. Так у кобальта, у которого Т0 = 420 °С, аллотропическое превращение идет только бездиффузионным путем. В железе, титане, цирконии и других металлах с высокой температурой Т0 при большом переохлаждении превращение идет бездиффузионным путем, а при малом переохлаждении - диффузионным путем. При мартенситном аллотропическом превращении новая фаза образуется путем кооперативного и закономерного перемещения атомов таким образом, что они сохраняют своих соседей и смещаются по отношению один к другому на расстояния, не превышающие междуатомные. Основное предположение мартенситного превращения заключается в том, что в процессе перехода старой фазы в новую сохраняется сопряженность (когерентность) их пространственных решеток. При наличии когерентности двух фаз поверхностная энергия границы очень мала, что способствует интенсивному росту образовавшихся кристаллов.
Упругая энергия сравнительно велика, она все время возрастает в процессе роста кристалла. Это происходит до тех пор, пока не будет превзойден предел упругости в переходной зоне. При этом в ней происходит пластический сдвиг, нарушающий когерентность кристаллических решеток старой и новой фаз. Возникновение некогерентной границы приостанавливает рост данного кристалла мартенситной фазы. Дальнейшее увеличение количества образующейся фазы происходит путем образования новых зародышей и мгновенного их роста. Скорость роста кристаллов при мартенситном превращении очень велика и достигает скорости звука. Скорость образования центров кристаллизации подчиняется общим закономерностям фазовых превращений. При развитии мартенситного механизма аллотропического превращения участки новой фазы располагаются вдоль определенных кристаллографических плоскостей старой фазы и выглядят под микроскопом в виде иголок или пластин. Это является результатом структурного и размерного соответствия, устанавливающегося между решетками старой и новой фаз.
Важной особенностью мартенситного превращения является то, что в изотермических условиях превращения только часть старой фазы переходит в новую. Дальнейшее превращение может протекать только при понижении температуры. Мартенситное превращение происходит в интервале температур. Различают точки Мн и Мк - начало и конец мартенситного превращения. Во многих случаях превращение не доходит до конца даже при очень низких температурах. Установлено, что мартенситное превращение, как и нормальное - диффузионное обратимо. Образование высокотемпературной формы из низкотемпературной при достаточной степени перенагрева может происходить бездиффузионным путем.
Магнитное превращение, наблюдаемое в ферромагнитных материалах, не является обычным фазовым превращением. Оно не связано с перемещением диффузией атомов, а вызывается только изменением взаимодействия магнитно нескомпенсированных d или f - электронов, обусловливающих возникновение ферромагнетизма. Характер изменения магнитных свойств зависит от физической природы металла. Температура потери магнитных свойств, называемая точкой Кюри, не зависит от скорости нагрева или охлаждения. Эта температура постоянна для каждого металла. Для железа она равна 768° С, никеля - 365- 370° С, кобальта - 1050° С.
Атомно-кристаллическое строение металлов
Все тела в зависимости от расположения атомов делятся на аморфные и кристаллические. В отличие от аморфных тел, атомы в которых расположены хаотично, металлы в твердом состоянии являются телами кристаллическими. Кристаллическое строение характеризуется закономерным расположением атомов.
Атомы металлов образуют кристаллическую решетку или ячейку. Каждый металл имеет определенный тип кристаллической решетки, чаще всего встречаются три типа решеток: кубическая объемноцентрированная – ОЦК (рис. 16, а), кубическая гранецентрированная – ГЦК (рис. 16, б) и гексагональная – ГПУ (рис. 16, в).
В кубической объемноцентрированной решетке атомы расположены в узлах ячейки и один атом в центре куба. Такие решетки имеют металлы: Feα, Сг, W, Mo, Tiβ, Nb, Та, Li n др.
В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены в узлах ячейки и в центре каждой грани. Этот тип решетки имеют металлы: Feγ, Ni, Ag, Au, Pb, Сu, Соβ и др.
Рис. 16. Типы кристаллических решеток:
а – кубическая объемноцентрированная;
б – кубическая гранецентрированная;
В гексагональной решетке атомы расположены в узлах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют металлы: Zn, Cd, Be, Re, Coα, Tiα и др. Индексы α, β, γ обозначают, что у соответствующих металлов различные кристаллические решетки при различных температурах.
Типы кристаллических ячеек определяются при помощи рентгеноструктурного анализа.
Расстояния между центрами соседних атомов в кристаллической решетке называется периодом (а, b, с). Расстояния между атомами измеряются в ангстремах - , 1 = 1•10 -8 см.
Базис кристаллической решетки - это число атомов, принадлежащих одной элементарной кристаллической ячейке; для ОЦК базис равен 2, для ГЦК – 4, ГПУ – 6.
Плотность упаковки – это отношение объема занимаемого атомами к объему всей ячейки. Плотность упаковки для ОЦК составляет 68%, для ГЦК и ГПУ – 74%. Плотность упаковки характеризуется координационным числом, т. е. числом атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Координационное число для ОЦК – 8, для ГЦК и ГПУ – 12.
2.1. Полиморфизм металлов.
Полиморфизмом или аллотропией называют способность металла в твердом состоянии при изменении температуры перестраивать свою кристаллическую решетку. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла. Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждой модификации свойственно оставаться устойчивой лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур. Аллотропические формы обозначаются греческими буквами α, β, γ и т. д. На кривых охлаждения и нагрева переход из одного состояния в другое характеризуется остановкой (для чистых металлов) или изменением характера кривой (для сплавов). При аллотропических превращениях кроме изменения свойств (теплопроводности, электропроводности, механических, магнитных и др.) наблюдают изменения объема металла и растворимости (например, углерода в железе). Аллотропические превращения свойственны многим металлам (железу, олову, титану и др.).
Железо известно в двух полиморфных модификациях — α и γ. На рис. 17 приведена кривая охлаждения, характеризующая его аллотропические превращения. Как видно, в интервале температур 911. 1392 °С железо имеет кубическую гранецентрированную решетку γ-железа (γFe), а в интервале от 0 до 911 °С и от 1392 до 1539 °С— объемноцентрированную решетку α-железа (αFe). Железо меняет свои магнитные свойства: выше 768 °С железо немагнитно, а ниже — магнитно.
Аллотропия металлов
Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др.
Файлы: 1 файл
Аллотропи металлов.docx
аллотропический физический свойство металл
Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др. Например, железо в интервале температур 911 -1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) г-Fe (рис. 7). В интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) - б-Fe. Аллотропические формы металла обозначаются буквами а, в, г и т. д. Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через букву б, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.
При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов - изменение объема металлов (особенно характерно для олова) и растворимости углерода (характерно для железа).
Методы изучения строения металлов
Изучение строения металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновского, а также дефектоскопии (рентгеновской, магнитной, ультразвуковой).
Методом макроанализа изучается макроструктура, т. е. структура, видимая невооруженным глазом или с помощью лупы, при этом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри и т. д., а также неравномерность распределения примесей в металле. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам. Макрошлиф - это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, тщательно обезжирена, протравлена и рассматривается с помощью лупы с увеличением в 5 -10 х .
Микроанализ выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, приготовленным так же, как и для макроанализа, но дополнительно отполированным до зеркального блеска. Шлифы рассматривают в отраженном свете под оптическим микроскопом при увеличении до 3000 х . Из-за различной ориентировки зерен металла они травятся не в одинаковой степени и под микроскопом свет также отражается неодинаково. Границы зерен благодаря примесям травятся сильнее, чем основной металл, и выявляются более рельефно. В сплаве структурные составляющие травятся также различно. В электронном микроскопе рассматривают реплику - слепок с особо тонкой структуры блоков, фрагментов, дислокации при увеличениях до 100000 х . Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, неметаллические включения и их характер (трещины, пористость и т. д.), качество термической, обработки. Зная микроструктуру, можно объяснить причины изменения свойств металла.
С помощью рентгеновского анализа изучают атомную структуру металлов, типы и параметры кристаллических решеток, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ, основанный на дифракции (отражении) рентгеновских лучей рядами атомов кристаллической решетки, позволяет обнаружить дефекты (пористость, трещины, газовые пузыри, шлаковые включения и т. д.), не разрушая металла. В местах дефектов рентгеновские лучи поглощаются меньше, чем в сплошном металле, и поэтому на фотопленке такие лучи образуют темные пятна, соответствующие форме дефекта.
Для исследования структуры металла и дефектов изделий широко применяют гамма-лучи, которые проникают в изделие на большую глубину, чем рентгеновские.
Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (сталь, никель и др.) на глубине до 2 мм (трещины различного происхождения, неметаллические включения и т. д.). Для этого испытуемое изделие намагничивают, покрывают его поверхность порошком железа, осматривают поверхность и размагничивают изделие. Вокруг дефекта образуется неоднородное поле, вследствие чего магнитный порошок повторяет очертания дефекта. Другой метод - магнитный индукционный - часто используют для оценки полноты структурных превращений в сплавах (изделиях) после их термической обработки.
Ультразвуковым методом осуществляется эффективный контроль качества металла изделий и заготовок практически любых размеров. В импульсных ультразвуковых дефектоскопах ультразвуковая волна от щупа - излучателя распространяется в контролируемом изделии и при встрече с каким-либо дефектом отражается от него. При этом отраженные волны принимаются, усиливаются и передаются на показывающий индикатор. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поковок, проката и других изделий при необходимости сохранения целостности изделий.
Физические и химические свойства
Физические свойства. К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.
Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий - серебристо-белый.
Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м 3 ) и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стремятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.
Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416° С, тантал 2950°С, титан 1725°С. и др.) и легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Температура плавления имеет большое значение при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).
Теплопроводностью называют, способность металлов передавать тепло от более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро. медь, алюминий обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для деталей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образуются трещины. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с хорошей тeплопpoводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/ (м*К).
Тепловым расширением называют способность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаждении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения б = (l2 -l 1)/ [l 1 (t 2 - t 1)], где l 1 и l 2 длины тела при температурах t 1 и t 2. Коэффициент объемного расширения равен 3 б. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, укладке железнодорожных рельс.
Теплоемкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеет размерность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемкости - количеству тепла, выраженному в больших калориях, которое требуется для повышения температуры 1 кг металла на 1°С (в единицах СИ - Дж/(кг.К).
Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), удельная электропроводность - в См/м.
Электросопротивление выражают в Омах (Ом), а удельное электросопротивление - в Ом/м.
Хорошая электропроводность необходима, например, для токоведущих проводов (медь, алюминий). При изготовлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением - увеличивается.
Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В единицах СИ магнитная постоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.
Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды называют коррозией.
Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур.
Сопротивление металлов коррозии, окалине-образованию и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.
Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.
Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение - величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 8).
В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.
Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения. По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат - нагрузки, приложенные к образцу.
Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность - отношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности у в (временное сопротивление) - это условное напряжение в Па (Н/м 2 ). соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: у в = P max / F о, где Рmах - наибольшая нагрузка, Н; Fо - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м 2 .
Истинное сопротивление разрыву S к - это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва F к (S к = Р к/ F к).
Предел текучести (физический) у т - это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки:
у т = Р т F о, где Р т - нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н.
Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длины образца: у 0,2 = P 0,2 / F 0.
Упругость - способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Р уп оценивают пределом пропорциональности у пц и пределом упругости у ун.
Предел пропорциональности у пц - напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца у пц = Р пц / Р 0.
Предел упругости (условный) у 0,05 - это условное напряжение в Мпа, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05 %, от расчетной длины образца lo: у 0,05 = P 0,05 / F 0, где P 0,05 - нагрузка предела упругости, Н.
Пластичность, т.е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение (после разрыва) д - это отношение приращения (l k - lo) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине lo, выраженное в процентах: д = ((1к -1о)/1о] 100 %.
Относительное сужение (после разрыва) Ш - это отношение разности начальной и минимальной площадей (Fo - Fк) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади Fo поперечного сечения, выраженное в про центах: Ш = [( F 0 - F k) / Fо] 100%.
Технология металлов
Жидкое состояние металла характеризуется большой подвижностью атомов.
По мере приближения металла к температуре затвердевания атомы его в отдельных местах начинают группироваться так же, как в кристаллических решетках твердого металла.
Некоторые из этих атомно-кристаллических групп могут стать зародышами будущих кристаллов, или, как говорят, центрами кристаллизации.
Дальнейший рост кристаллов происходит путем постепенного наращивания на эти центры новых атомных слоев.
Таким образом, процесс кристаллизации заключается в образовании центров кристаллизации и в их последующем росте.
Процесс кристаллизации. Зерна
На рисунке показана схема развития процесса кристаллизации.
В первые моменты кристаллы растут свободно, сохраняя свою кристаллическую форму.
По мере развития процесса кристаллы встречаются друг с другом, препятствуя тем самым дальнейшему росту в этом направлении. Кристаллы будут расти только лишь в некоторых направлениях, где имеется еще жидкий металл. Благодаря этому правильная форма кристалла теряется и он приобретает округлую форму. Такие кристаллы называют зернами.
Форма зерен при кристаллизации
В настоящее время в производстве черных и цветных металлов получил широкое распространение процесс искусственного изменения размеров и формы зерен путем введения в расплавленный металл нерастворимых веществ, называемый модифицированием.
Эти вещества распределяются равномерно по всему объему металла и образуют дополнительные центры кристаллизации, благодаря чему зерна металла получаются более мелкими и могут изменять свою форму.
Такими веществами могут быть:
порошок окиси алюминия при модифицировании стали,
Изменение структуры и свойств металлов в твердом состоянии
Некоторые металлы имеют в твердом состоянии несколько видов кристаллической решетки. Достаточно такие металлы нагреть до определенной температуры, как атомы перестраиваются и образуют новую кристаллическую решетку.
Процесс перехода из одного типа кристаллического строения в другой называетсяаллотропическим превращением.
Различные типы кристаллического строения называют аллотропической формой, или модификацией.
Модификации металлов обозначаются буквами греческого алфавита:
Аллотропические превращения
Аллотропические превращения, так же как и первичная кристаллизация, протекают при постоянной температуре, так как при охлаждении происходит выделение, а при нагреве — поглощение тепла.
На кривой охлаждения это превращение отмечается горизонтальным участком.
Аллотропические превращения протекают путем зарождения центров кристаллизации в твердом металле и роста вокруг них кристаллов новой модификации, подобно процессу первичной кристаллизации.
Аллотропические превращения в железе
На кривой охлаждения железа, приведенной на рис. 8, показаны аллотропические превращения, претерпевающие железом при очень медленном охлаждении.
При охлаждении железо затвердевает при температуре 1539°. При этом образуется Feδ, т.е. железо с «объемноцентрированной решеткой».
При последующем охлаждении при температуре 1400° Feδ превращается в Feγ, т. е. в железо с «гранецентрированной решеткой».
Аллотропические превращения олова
Олово существует в двух модификациях: Snα и Snβ.
Олово α (Snα) называют серым оловом. Оно представляет собой порошок.
Олово β (Snβ) — белое олово, прочный металл.
Превращение белого олова в серое протекает при температуре + 18°, но снаибольшей скоростью этот процесс протекает при переохлаждении до минус 30°.
На изделиях из белого олова после длительного хранения на холоде возникают бугорки серого олова, которые затем рассыпаются в порошок. Это явление получило название оловянная чума.
Пластическая деформация и рекристаллизация. Изменение формы зерен
Изменить величину и форму зерен можно также и механическим воздействием, например:
волочением и т.д.,
т.е. путем изменения формы изделия (или, как говорят, путем пластической деформации металла) с последующим нагревом, после которого можно получить зерна разных размеров.
Пластическая деформация протекает путем смещения (сдвигов) тонких слоев металла (пачек) в кристалле относительно друг друга по плоскостям скольжения под влиянием механических усилий.
Виды обработки металлов: холодная и горячая обработка металлов
Различают два вида обработки металлов давлением.
Холодная обработка металлов
Холодной обработкой металлов давлением называют обработку, которую ведут при температуре ниже температуры рекристаллизации. При такой обработке металл наклёпывается.
Горячая обработка металлов
Горячей обработкой металлов давлением называют обработку, которую ведут при температуре выше температуры рекристаллизации. При такой обработке пластически деформированный металл рекристаллизуется в процессе обработки давлением.
Строение сплавов
Металлическими сплавами, как уже указывалось, называются сложные материалы, полученные путем сплавления одного металла с другими металлами или неметаллами.
При сплавлении металлы и неметаллы взаимодействуют между собой и образуют либо химические соединения, либо твердые растворы, либо, что очень редко, остаются в химически чистом виде.
Химические соединения
Химические соединения характерны тем, что атомы элементов, образующих сплав, объединяются в определенном количестве. Состав соединения может быть выражен химической формулой.
Читайте также: