- •Теоретический курс
- •Раздел 1. Металловедение.
- •1.1. Общая характеристика металлов.
- •1.1.1. История познания металлов человеком
- •1.1.2. Кристаллическое строение
- •1.1.3. Типы кристаллических решеток
- •1.1.4. Анизотропия свойств кристаллов
- •1.1.5. Полиморфизм в металлах
- •1.1.6. Строение реальных кристаллов
- •Вопросы для самопроверки
- •2.2. Кристаллизация металлов
- •2.2.1. Теоретические основы
- •1.2.2. Механизм процесса кристаллизации
- •1.2.3. Основные явления кристаллизации слитков. Влияние формы кристаллов на служебные характеристики металла
- •Вопросы для самопроверки
- •1.3. Основы теории сплавов.
- •1.3.1. Внутреннее строение и свойства механических смесей, твердых растворов и химических соединений
- •1.3.2. Диаграммы состояния сплавов. Их типы и построение
- •Вопросы для самопроверки
- •1.4. Железоуглеродистые сплавы.
- •1.4.1. Железо
- •1.4.2. Углерод
- •1.4.3. Структурные составляющие системы железо-углерод
- •1.4.4. Диаграмма состояния железо – цементит (метастабильное равновесие)
- •Вопросы для самопроверки
- •1.5. Термическая обработка стали
- •1.5.1. Основы технологии термической обработки
- •1.5.2. Основные параметры процессов термической обработки
- •1.5.3. Основные виды термической обработки
- •1.5.4. Основные превращения в сталях в процессах термообработки
- •1.5.5. Химико-термическая обработка стали. Общая характеристика процессов
- •1.5.6. Термомеханическая обработка (тмо)
- •Вопросы для самопроверки
- •1.6. Физические основы пластичности и прочности металлов
- •1.6.1. Виды деформации
- •1.6.2. Механические свойства металлов
- •1.6.3. Влияние дефектов кристаллической решетки на прочность металла
- •1.6.4. Методы исследования строения, структуры и свойств металлов
- •Вопросы для самопроверки
- •1.7. Влияние температуры на структуру и свойства металлов
- •1.7.1. Диффузия ядер в металлах
- •1.7.2. Влияние повышения температуры на механические свойства
- •1.7.3. Возврат и рекристаллизация деформированного металла при нагреве
- •1.7.4. Сфероидизация и графитизация цементита в сталях
- •Вопросы для самопроверки
- •1.8. Углеродистые и легированные стали
- •1.8.1. Условия эксплуатации и требования к сплавам
- •1.8.2. Структура и основные свойства сталей
- •1.8.3. Принципы классификации и маркировки сталей
- •1.8.4. Конструкционные стали
- •1.8.5. Инструментальные стали
- •1.8.6. Легированные стали в энергетике
- •Вопросы для самопроверки
- •1.9. Чугуны
- •1.9.1. Классификация чугунов
- •1.9.2. Серые чугуны
- •1.9.3. Высокопрочные чугуны
- •1.9.4. Ковкие чугуны
- •1.9.5. Специальные чугуны
- •1.9.6. Маркировка чугунов
- •Вопросы для самопроверки
- •1.10. Сплавы на основе железа с различными металлами
- •Вопросы для самопроверки:
1.1.6. Строение реальных кристаллов
Реальный кристалл металла всегда отличается своим строением от идеального. Это зависит от условий кристаллизации, в результате которой может искажаться внешняя его форма. Дефекты строения подразделяются по геометрическим признакам, а именно по характеру их измерения в пространстве, на точечные(нульмерные),линейные(одномерные),поверхностные (двухмерные) иобъемные (трехмерные).
Точечные дефекты – это нарушения периодичности кристаллической решетки. Размеры их во всех направлениях сопоставимы с таковыми для атомов. К ним относятся:вакансии– свободные узлы в кристаллической решетке,межузельные элементы – те, которые располагаются вне узлов решетки (рис. 1.9).
Рис. 1.9 - Типы точечных дефектов решеток
Эти искажения называют соответственно дефектами Шоттки и Френкеля. Примесные атомы–примеси замещения и внедрения.Это ядерные остовы, которые способны замещать таковые в основном металле или внедряться в свободные места (поры или междоузлия). Вакансии образуются в результате выхода ядерного остова из узла на поверхность кристалла. Дефекты Френкеля возникают вследствие трансформации ядра из равновесного положения в междоузлие. Эти искажения формируются в основном при изменении температуры и называются тепловыми вакансиями. Они вызывают местное модифицирование решетки кристалла и влияют на электропроводность и магнитные свойства металла, а также на их фазовые превращения.
Линейные несовершенствавесьма малы в двух измерениях, например, по поперечным осям, т. е. не превышают расстояний между катионами, но в третьем достигают достаточно больших размеров, которые соизмеримы с длиной кристалла. Сюда входятцепочки вакансий, межузельных ядер и дислокации.
Последние являются особым и важным видом линейных дефектов. Дислокации– линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение ионных плоскостей кристалла. Впервые представления о дислокациях были введены в 1934 году физиками Орованом, Поляни и Тейлором. Различают краевую и винтовую дислокации (рис. 1.10 и 1.11).
Краевая дислокация- локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное появлением или наличием в ней неполной или лишней плоскости ядер, называемой экстраплоскостью (АВСD, рис. 1.10, а).
Рис. 1.10. Краевые дислокации: а –сдвиг, создавший дислокацию;б – пространственная схема
Винтовую дислокацию определяют как сдвиг одной части кристалла относительно другой. Такое смещение нарушает параллельность слоев атомов в кристаллической решетке. При этом кристалл превращается как бы в одну плоскость, закрученную по винту вокруг линии, являющейся границей между частями плоскости, где сдвиг уже произошел и где еще не начинался (рис. 1.11).
а
б
Рис. 1.11. Пространственная модель образования винтовой дислокации в результате неполного сдвига по плоскостям (a) и расположение ядерных остовов в ее области (б)
Обе дислокации консервативны, но винтовая не связана с одной какой-то определенной плоскостью, она перемещается по любой из них, проходящей через линию дислокации. Возможно образование частичных и смешанных дислокаций. Формирование их повышает энергию кристалла.
Характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций - суммарная длина всех ее линий в единице объема=l/vсм-2. Ее можно определить и как число дислокаций, пересекающих единицу площади. Плотность дислокации зависит от состояния металла. В монокристаллах она равна 103- 106 см-2, в отожженных поликристаллических металлах= 107 - 108 см-2, после холодной деформации ее значение увеличивается до 1011- 1012 см-2.
В кристаллах встречаются и так называемые смешанные дислокации. Дислокации не могут обрываться внутри кристалла — они должны быть либо замкнутыми, либо выходить на поверхность кристалла. Плотность дислокации, т. е. число линий дислокации, пересекающих внутри металла площадку в 1 см2, составляет 103 - 104 в наиболее совершенных монокристаллах до 1012 в сильно деформированных металлах. Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально расстоянию от них. Наличие упругих напряжений вокруг дислокации приводит к их взаимодействию, которое зависит от типа дислокации и их векторов Бюргерса. Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации, поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения. Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расплава. Основным механизмом размножения дислокации при пластической деформации являются так называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокации, закрепленные на концах, которые под действием напряжений могут прогибаться, испуская при этом дислокации, и вновь восстанавливаться.
Поверхностные искажения– нарушения в кристаллической решетке по поперечным плоскостям и связям, т. е. в двух направлениях наблюдается большая протяженность кристаллов, а длина очень маленькая. Это дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхностные кристаллы.
Дефекты упаковки– локальные изменения расположения плотноупакованных плоскостей в кристалле.
Двойникование – образование двойников, симметричная переориентация областей решетки. Обычно она осуществляется в том случае, когда затруднена деформация путем движения дислокаций.
Объемные дефекты– искажения решетки во всех трех ее направлениях. Это трещины, поры и др.