Строение металлических материалов

1. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

2. ПОНЯТИЕ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Металлы- непрозрачные вещества,
обладающие специфическим
металлическим блеском, пластичностью,
высокой теплопроводностью и
электропроводностью.
Все металлы и образованные из них
сплавы делят на черные и цветные.
По физико-химическим свойствам черные металлы подразделяют на пять
групп:

3.

• железистые (железо, кобальт, никель, марганец);
• тугоплавкие (вольфрам, рений, тантал, молибден, ниобий, ванадий,
хром, титан и др.);
• урановые — актиниды (уран, торий,
плутоний и др.);
• редкоземельные — лантаниды (лантан, церий, иттрий, скандий и др.);
• щелочно-земельные (литий, натрий, калий, кальций и др.).

4.

К тугоплавким относятся металлы, которые имеют температуру плавления выше температуры плавления железа (1 539
°С): титан — 1 667 °С, ванадий — 1 902 °С, хром — 1 903
°С, молибден — 2 615 °С, ниобий — 2 460 °С, тантал — 2
980 °С, вольфрам — 3 410 °С. Тугоплавкие металлы в основном применяются как легирующие элементы в производстве жаропрочных, жаростойких, теплостойких и специальных сплавов, в том числе твердых сплавов и высоколегированных сталей.
Чистые металлы обладают низкой прочностью и не
обеспечивают требуемых физико-механических и
технологических свойств. Наиболее широко
применяются сплавы, которые обладают по
сравнению с чистыми металлами более высокой
прочностью и твердостью.

5.

Сплавы- твердые и жидкие веществаполучают сплавлением или спеканием
двух или более металлов или металлов с
неметаллами.
Элементы, образующие сплав, называют
компонентами.
Фазой называется однородная часть
системы (металла или сплава), имеющая
границы раздела, при переходе через
которые их свойства резко меняются.

6.

Под структурой понимается строение
металла, т.е. взаимное расположение
различных фаз, форма и размер
составляющих их кристаллитов.
Структурными составляющими сплава
называются обособленные части сплава,
имеющие одинаковое строение с
присущими им характерными
особенностями.

7. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ.ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК

8. Схе­ма рас­по­ло­же­ния эле­мен­тар­ных гео­мет­ри­че­ских яче­ек в атом­ных ре­шет­ках ме­тал­лов и спла­вов

Схема расположения элементарных геометрических ячеек в
атомных решетках металлов и
сплавов

9.

Кристаллическая решетка представляет
собой воображаемую пространственную
сетку, в узлах которой располагаются атомы
(ионы), образующие твердое
кристаллическое тело.
Наименьший объем кристалла, дающий
представление об атомной
структуре металла во
всем объеме называется
элементарной
кристаллической
решеткой.

10.

Элементарные кристаллические ячейки
характеризуются следующими основными
параметрами:
периодом решетки,
координационным числом,
атомным радиусом,
базисом (атомной плотностью).

11.

Периодом решетки называется расстояние
между центрами двух соседних частиц (атомов,
ионов) в элементарной ячейке решетки. Период
решетки измеряют в нанометрах (нм) или
пикометрах (пм).
Координационное число К показывает
количество атомов, находящихся на самом
близком расстоянии от любого выбранного
атома в решетке.
Под атомным радиусом понимают половину
межатомного расстояния между центрами
ближайших атомов в кристаллической решетке
элемента при равновесных условиях.

12.

Базисом решетки называется количество
атомов, приходящихся на одну элементарную
ячейку решетки.
Период решетки -а
Координационной число К=6
Базис решетки равен 1
((1/8)*8=1, каждый из атомов,
расположенных в углах куба, принадлежит
одной из восьми элементарных ячеек, т.е. на одну ячейку приходится
1/8 атома)

13. Кубическая объемно-центрированная решетка (ОЦК)

Кубическая объемноцентрированная решетка
(ОЦК)
ОЦК металлы - W, Mo, Cr, V, K Na, Li, -Ti, -Fe, Ta и др.

14.

Объемно-центрированная кубическая ячейка состоит из восьми атомов, которые расположены по одному атому в каждой вершине
куба, и одного, находящегося в центре куба
на равных расстояниях от его граней. Эту форму атомной кристаллической ячейки имеют
железо модификации Fe-α, ванадий, вольфрам,
молибден, тантал и хром, т. е. в основном черные металлы.

15. Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК)

ГЦК металлы - Al, Cu, Ni, Ag, Au, Pb, -Fe, Pd, Ir, Ce и др.

16.

Гранецентрированная кубическая ячейка имеет 14 атомов — по одному атому в каждой вершине куба (восемь атомов) и по одному
атому в центре каждой грани (шесть атомов).
Гранецентрированную кубическую ячейку
имеют алюминий, железо модификации Fe-γ,
золото, кобальт, медь, никель, платина и серебро, в основном это цветные металлы и часть
черных металлов.

17. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ)

ГП металлы - Mg, Zn, -Ti, Cd, Be, -Zr, Os и др.

18.

Гексагональная плотноупакованная ячейка состоит из 17 атомов. Форма геометрического тела, которую образуют эти атомы, является шестигранной призмой. При этом
по шесть атомов расположены в каждой вершине верхнего и нижнего оснований, по одному атому в центре этих оснований и три атома
в центре одной их трех граней (через грань).
Гексагональную плотноупакованную ячейку
имеют бериллий, кадмий, магний, ванадий,
тантал.

19.

20.

Простая кубическая ячейка характерна для
неметаллов, которые обладают наибольшими
плотностью и удельным весом, и имеет восемь
атомов, которые расположены в каждой вершине куба.
Простая гексагональная ячейка состоит
из 12 атомов, которые расположены в вершинах верхнего и нижнего оснований шестигранной призмы. Такую кристаллическую ячейку
имеют ртуть и цинк.

21.

22. СТРОЕНИЕ РЕАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Технические металлы состоят из
большого количества кристаллов
(зерен), т.е. являются
поликристаллическими. При этом
кристаллы в реальном металле не
имеют правильной формы и идеально
правильного расположения атомов.
Различают точечные, линейные и
поверхностные несовершенства
кристаллического строения.

23.

Точечные несовершенства малы во
всех трех измерениях. К ним
относятся вакансии, междоузельные
(дислоцированные) атомы.

24.

Образование точечных
несовершенств связано с
диффузионным перемещением атомов
под действием тепловых колебаний. С
повышением температуры металла
число вакансий растет. Точечные
дефекты оказывают влияние на
некоторые физические свойства
металлов (электропроводность,
магнитные свойства).

25.

Линейные несовершенства имеют
малые размеры в двух измерениях и
большую протяженность в третьем
измерении. Эти несовершенства
называются дислокациями.
Дислокации образуются в процессе
кристаллизации и при деформации
металла. Различают краевые,
винтовые и смешанные дислокации.
Наличие дислокаций определяет
прочность металлов.

26.

Рассмотрим краевую
дислокацию – она представляет
собой искажение строения в виде
лишней полуплоскости атомов в
верхней части кристаллической
решетки. Краевая дислокация
простирается в длину на тысячи
атомных рядов; она может быть
прямой, а также изгибаться в ту
или другую сторону.

27.

В идеальном металле для сдвига одной его части
относительно другой необходимо одновременно
разрушить все межатомные связи. При наличии
дислокаций это достигается не одновременным
разрушением, а последовательным -одна за
другой, при этом происходит перемещение
дислокаций.

28.

Поскольку пластическая деформация
облегчается за счет скольжения
дислокаций то повышение прочности
может быть достигнуто либо
получением металла идеального
строения, либо за счет создания
препятствий на пути движения
дислокаций.
Препятствиями могут служить другие
дислокации, атомы примесей,
границы зерен, т.е. дефекты строения
решетки.

29.

Поверхностные несовершенства малы
только в одном измерении. Такими
дефектами являются поверхности раздела
между отдельными зернами.
Границы зерен препятствуют перемещению
дислокаций. Дислокация не может перейти
границу зерна, т.к. в новом зерне плоскость
скольжения не совпадает с плоскостью
движения этой дислокации.

30.

Протяженность границ тем больше,
чем меньше величина зерна.
Поскольку увеличение протяженности
границ зерен создает больше
барьеров перемещению дислокаций,
измельчение зерна приводит к
повышению пределов прочности и
текучести металлических материалов.

31. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Переход металла из жидкого
состояния в твердое называется
первичной кристаллизацией.
Она протекает вследствие перехода системы из
термодинамически неустойчего состояния в
термодинамически устойчивое состояние, т.е. из
состояния с большей энергией в состояние с меньшей
энергией.

32.

Энергетическое состояние системы
принято характеризовать свободной
энергией.
Свободной энергией называется часть
полной энергии вещества, которая
обратимо изменяет свою величину при
изменении температуры, полиморфных
превращениях, плавлении и т.п.
С повышением температуры величина
свободной энергии уменьшается.

33.

34.

Температура, при которой практически
начинается процесс кристаллизации,
называется фактической температурой
кристаллизации Тк.
Разность между температурами Тs и Тк
называется степенью переохлаждения:
Степень переохлаждения зависит от
природы и чистоты металла. Чем чище
металл, тем при большей степени
охлаждения возникают зародыши твердых
кристаллов.

35.

36.

Скорость процесса кристаллизации
определяется двумя величинами: скоростью
зарождения центров кристаллизации и
скоростью роста кристаллов.
Под скоростью зарождения центров
кристаллизации понимают число зародышей,
возникающих за единицу времени в единице
объема.
Под скоростью роста кристаллов понимают
скорость увеличения линейных размеров
кристалла за единицу времени.

37.

38.

Скорость охлаждения определяет величину зерна:
чем она выше, тем меньше зерно металла. Металл,
имеющий мелкозернистое строение обладает не
только более высокой прочностью, но также и
большой ударной вязкостью и пластичностью.
Охлаждение с высокой скоростью для получение
мелкого зерна невозможно для отливок большой
массы. В этом случае в жидкий металл вводят
тугоплавкие частицы (оксиды и др.), которые
являются искусственными центрами
кристаллизации и называются модификаторами, а
сам процесс –модифицированием.
Модифицирование, практически без изменения
состава металла, обеспечивает при кристаллизации
получение мелкого зерна.

39.

40. СТРОЕНИЕ СЛИТКА

Кристаллы, образующиеся в процессе
затвердевания металла, могут иметь различную
форму в зависимости от скорости охлаждения и
количества примесей. В направлении отвода
теплоты кристалл растет быстрее,
чем в других направлениях, в
результате образуется
древовидный кристалл-дендрит.

41.

Небольшая степень переохлаждения
(нормальное охлаждение)
1-зона мелких равноосных кристаллов
2-зона столбчатых кристаллов
3-зона равноосных кристаллов
4-усадочная раковина

42.

Сильный перегрев и быстрое
охлаждение (большая ΔТ)
2-зона столбчатых кристаллов
4-усадочная раковина

43.

Очень медленное охлаждение
(малая ΔТ)
3-зона равноосных кристаллов
4-усадочная раковина

44.

По мере кристаллизации примеси оттесняются в
жидкую часть. Это предопределяет неравномерное
распределение элементов как в микрообъеме, так
и в различных зонах слитка. Неравномерное
распределение химических элементов в объеме
металла называется ликвацией.
Жидкий металл имеет больший удельный объем,
чем твердый, поэтому в верхней части слитка,
которая застывает в последнюю очередь,
образуется усадочная раковина, обычно
окруженная наиболее загрязненной частью
металла. Верхнюю часть слитка отрезают и
переплавляют, а остальной металл подвергают
обработке давлением.