- •Тема I. Кристалічна будова металів
- •1.1. Загальна характеристика металів
- •1.2. Електронна будова атома
- •1.3. Типи міжатомних зв'язків у твердих тілах
- •1.2. Атомно-кристалічна структура металів
- •1.3. Анізотропія властивостей металів.
- •1.4. Дефекти кристалічної будови металів
- •1.6. Методи дослідження структури
- •Тема 2. Кристалізація металів
- •2.1. Первинна кристалізація металів
- •2.2. Будова металевого злитка
- •2.3. Поліморфні перетворення
- •Тема 3. Основи теорії сплавів
- •3.1. Основні поняття та визначення. Типи сплавів
- •3.2.Основні типи діаграм стану подвійних сплавів
- •3.3. Зв’язок між типом діаграми стану, складом і властивостями сплавів
- •Тема 4. Пластична деформація та механічні властивості металів і сплавів
- •4.1. Напруження, що виникають у металі при навантаженні. Пружна та пластична деформація. Вплив пластичної деформації на структуру і властивості металу
- •4.2. Вплив нагріву деформованого металу на його структуру та властивості
- •4.3. Механічні властивості металів і сплавів
- •4.4. Теоретична і реальна міцність металів та шляхи її підвищення
- •Тема 5. Залізо та його сплави
- •5.1. Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів
- •5.2. Процеси, які відбуваються при температурах, які відповідають лініям діаграми стану “залізо – цементит”
- •5.3. Вуглецеві сталі
- •5.3.1. Вплив постійних домішок на властивості сталі
- •5.3.2. Класифікація та маркування вуглецевих сталей
- •5.4.Чавуни
- •5.4.1. Вплив хімічного складу і швидкості охолодження на структуру і властивості чавуну.
- •Тема 6.Теорія термічної обробки сталі
- •6.1. Сутність, призначення та класифікація видів термічної обробки
- •6.2. Перетворення в сталі при її нагріванні
- •6.3. Перетворення, що відбуваються в сталі при її охолодженні
- •6.4. Перетворення, що відбуваються у сталі при відпусканні
- •7.2. Відпалювання
- •7.3.Нормалізація сталі
- •7.4. Гартування сталі
- •7.5. Відпускання
- •7.6. Термомеханічна обробка (тмо) сталі
- •Тема 8. Хіміко-термічна обробка сталі
- •8.1. Сутність, призначення та основні процеси, що відбуваються при хіміко-термічній обробці сталі
- •8.2. Цементація сталі
- •8.3. Азотування сталі
- •8.4. Ціанування (нітроцементація) сталі
- •8.5. Дифузійне насичення металами (металізація) і неметалами.
- •Тема 9. Леговані сталі
- •9.1. Вплив легуючих елементів на поліморфізм заліза і на ферит
- •9.2. Вплив легуючих елементів на перетворення в сталі
- •9.3. Класифікація та маркування легованих сталей
- •9.4.Конструкційні леговані сталі
- •9.5.Інструментальні сталі
- •9.6. Корозійностійкі (нержавіючі) сталі
- •Тема 9. Кольорові метали та сплави
- •9.1. Алюміній і сплави на його основі
- •Деформівні алюмінієві сплави
- •Ливарні алюмінієві сплави
- •9.2. Магній та його сплави
- •9.3. Титан і його сплави
- •Сплави на основі титану
- •9.4. Мідь і її сплави
- •9.4.1Латуні
- •9.4.2.Бронзи
- •9.4.2.1.Олов’яні бронзи
- •9.4.2.2.Алюмінієві бронзи
- •9.4.2.3.Кремнієві бронзи
- •9.4.2.4.Берилієві бронзи
- •9.5. Підшипникові (антифрикційні) сплави
- •Тема 11. Неметалеві матеріали
- •11. 1. Пластичні маси 11.1.1. Пластичні маси, їх властивості та склад
- •11.1.2. Термопластичні пластмаси(термопласти)
- •11.1.3. Термореактивні пластмаси (реактопласти)
- •11.2. Гумові матеріали
- •Література
1.3. Анізотропія властивостей металів.
Щільність розташування атомів по різноманітних площинах (ретикулярна щільність) неоднакова. Так, площині (100) в ОЦК-гратці належить лише 1 атом (1/4х4), площині ромбічного додекаедра (110) 2 атоми: 1 атом вносять атоми, що знаходяться у вершинах (1/4х4), і 1 атом у центрі куба. У ГЦК-гратці площиною з найбільш щільним розташуванням атомів буде площина октаедра (111), а в ОЦК-гратці - площина (110).
Рис.1.6. Індекси кристалографічних площин і напрямків
Внаслідок неоднакової щільності розташування атомів у різноманітних площинах і напрямках гратки багато властивостей окремого кристала залежать від напрямку вирізки зразка стосовно напрямків у гратці. Подібна неоднаковість властивостей монокристала в різних кристалографічних напрямках має назву анізотропії.
Кристал - тіло анізотропне, на відміну від аморфних тіл (скла, пластмаси тощо), властивості яких не залежать від напрямку. Технічні метали є полікристалами, тобто складаються з великої кількості анізотропних кристалітів, які по різному орієнтовані один відносно іншого. Тому у всіх напрямках властивості більш-менш однакові - полікристалічне тіло є псевдоізотропним. Така уявна ізотропність металу не буде спостерігатися, якщо кристаліти мають однакове переважне орієнтування в якихось напрямках. Ця орієнтованість (текстура) може створюватись, наприклад, у результаті холодної деформації – у цьому випадку полікристалічний метал набуває анізотропію властивостей.
1.4. Дефекти кристалічної будови металів
У будь-якому реальному кристалі завжди є різноманітні дефекти – зони кристалу, в яких порушено правильне розташування атомів. За геометричними ознаками дефекти кристалічної будови розділяють на точкові (нульмірні), лінійні (одномірні) і поверхневі (двомірні).
Рис. 1.7. Точкові дефекти:
а – вакансія; б – міжвузловий атом; в – заміщений атом
Точкові дефекти малі у всіх трьох вимірах, і розміри їх не перевищують декількох атомних діаметрів. До точкових дефектів відносяться вакансії та міжвузлові атоми. Вакансії (дефекти Шотткі) - це вузли гратки, у яких атоми відсутні (рис.1.7, а). Вакансії найчастіше утворюються в результаті переходу атома з вузла гратки на поверхню, їхнього випаровування з поверхні кристала чи переходу в міжвузловий простір. У кристалі завжди є атоми, кінетична енергія яких значно перевищує середню, властиву заданій температурі нагрівання. Такі атоми, особливо розташовані поблизу поверхні, можуть вийти на поверхню кристала, а їхнє місце займуть атоми, що знаходяться далі від поверхні. Тоді вузли, які належали їм, виявляться вільними, тобто виникнуть теплові вакансії.
Джерелами теплових вакансій є вільні поверхні, межі зерен, пустоти та тріщини. З підвищенням температури концентрація вакансій зростає. При температурі, близькій до температури плавлення, їхня кількість може досягати 1% числа атомів у кристалі. Швидким охолодженням від даної температури можна зафіксувати ці вакансії при нормальній температурі (так звані гартівні вакансії). Кристал, що знаходиться при даній температурі в термодинамічній рівновазі, має рівноважну концентрацію теплових вакансій. Крім одиничних вакансії можуть утворюватися також подвійні, потрійні і їхні угруповання.
Вакансії утворюються не тільки при нагріванні, але й у процесі пластичної деформації, рекристалізації і при бомбардуванні металу атомами чи частками високих енергій (опромінення в ядерному реакторі).
Пересичення вакансіями може відбутися внаслідок раптового охолодження під час гартування, пластичної деформації або опромінення металу нейтронами. З часом пересиченість вакансіями зменшується через їх вихід на поверхню кристалу чи на границі зерен. Вакансії сприяють перебігу дифузійних процесів. Зі збільшенням кількості вакансій зменшуються густина, електро- і теплопровідність кристалу.
Міжвузлові атоми (дефекти Френкеля) утворюються в результаті переходу атома з вузла гратки в міжвузловий простір (рис.1.7, б). На його місці виникає вакансія (на рисунку не зображена). Перехід атомів у міжвузлове положення викликає опромінення нейтронами, при цьому значно менший вплив мають теплові коливання атомів. Однак через те, що в гратках, характерних металам, енергія утворення міжвузлових атомів у декілька разів перевищує енергію теплових вакансій, то основними точковими дефектами є теплові вакансії.
Атоми домішок є навіть у найчистішому металі. Вони або заміщають атоми основного металу у вузлах кристалічної ґратки або розташовуються між вузлами (рис.1.7, в).
Точкові дефекти викликають місцеве спотворення кристалічної гратки і впливають на деякі фізичні властивості металів (електропровідність, магнітні властивості) і фазові перетворення. На механічних властивостях металу спотворення кристалічної ґратки суттєво не позначаються.
Лінійні дефекти мають малі розміри в двох вимірах і велику протяжність у третьому. Ними можуть бути декілька вакансій чи міжвузлових атомів. Найважливішим видом лінійних недосконалостей є крайові та гвинтові дислокації (dislосаtіоп з латинської – „розміщення”).
Дислокації утворюються у процесі кристалізації металів при "захлопуванні" групи вакансій, у процесі пластичної деформації чи фазових перетворень. Характеристикою дислокаційної структури є щільність дислокацій - сумарна довжина дислокацій (у см) на одиницю об’єму кристала (у см3).
Крайова дислокація - це лінія АВ (рис.1.8, а) на краю зайвої атомної півплощини АВЕС в кристалі. Одним із способів утворення крайової дислокації є зсув частини атомів кристалу відносно іншої частини атомів на ділянці площини ковзання АВСD) під дією прикладеної сили F. Внаслідок такого зсуву у верхній частині кристалу маємо на одну атомну площину більше, ніж у нижній. Зайва площина АВЕС, яка перпендикулярна до напрямку зсуву, називається екстраплощиною. Вона не має продовження у нижній частині кристалу. Екстраплощина ніби розклинює кристал, зближаючи атоми над дислокацією і розсуваючи їх під нею. Тому в невеликій спотвореній зоні - ядрі дислокації - міжатомні відстані менші або більші від нормальних, а поза межами ядра вони нормальні. Крайова дислокація АВ простягається на багато тисяч міжатомних відстаней. Пересування дислокації під дією сили Р може відбуватись доти, поки вона не вийде на поверхню кристалу, де утвориться сходинка (рис.1..., в). Якщо екстраплощина є у верхній частині кристалу, то дислокація умовно вважається позитивною і позначається знаком..., а якщо екстраплощина лежить у нижній частині, то - негативною і позначається ......
Рис. 1.8. Крайова дислокація АВ, яка виникає внаслідок зсуву
Рис.1.9. Схема визначення вектора Бюргерса:
а - реальний кристал; б - ідеальний кристал; в - вектор Бюргерса
Дислокації можуть взаємодіяти і між собою, і з іншими дефектами. Оскільки над дислокацією існує локальна зона пружних деформацій стиснення, то сусідні дислокації з однаковим знаком взаємно відштовхуються, а з протилежним знаком - взаємно притягаються. При цьому дислокації з різними знаками, рухаючись назустріч в одній площині ковзання, можуть взаємно знищуватись (анігілювати), утворюючи з двох півплощин одну повну площину.
У зону розсунутих атомів надходять атоми домішок і розташовуються вздовж краю екстраплощини. Таке скупчення домішкових атомів називається атмосферою Коттрелла. З підвищенням температури концентрація домішкових атомів біля дислокацій зменшується, а зі зниженням температури - зростає. Домішкові атоми блокують переміщення дислокацій. Тому утворення атмосфер Коттрелла істотно зменшує пластичність металу.
Спотворення кристалу в ядрі дислокації оцінюють вектором Бюргерса. Для знаходження вектора Бюргерса розглянемо два кристали: один - недосконалий із крайовою дислокацією (рис. .1.9, а) і другий -досконалий без дислокації (рис.1.9, б).
Навколо крайової дислокації за межами спотвореного ядра, тобто в тих вузлах, де спотворень практично немає, проведемо від вузла А (рис. 1.9, а) контур у вигляді вертикальних і горизонтальних відрізків АВ, ВС, СD, DА, що з'єднують сусідні вузли ґратки. Він замкнеться на відрізку DА, який складається не з шести, а з п'яти міжатомних відстаней. Якщо такий самий шлях від вузла до вузла пройти в досконалому кристалі, то відрізок В'А' вмістить в собі шість міжатомних відстаней. Різниця довжин відрізка D'А контура в досконалому кристалі і відрізка DА контура в кристалі з крайовою дислокацією називається вектором Бюргерса й позначається буквою в . Вектор Бюргерса дорівнює одній міжатомній відстані й у випадку крайової дислокації перпендикулярний до лінії дислокації АВ (рис. 1.8).
Кількісною характеристикою дислокаційної структури є густина дислокацій ρ, яка дорівнює відношенню сумарної довжини дислокацій Σl до об'єму кристалу V:
ρ = ∑l ∕ V. (1.2)
Густина дислокацій помітно впливає на механічні властивості: з її збільшенням зростає міцність і знижується пластичність металів.
Дислокації виникають під час кристалізації, пластичної деформації, фазових перетворень. Швидкість дифузії вздовж дислокацій значно вища, ніж в кристалах без дислокацій.
Гвинтова дислокація є лінією АВ (рис.1.10), що нею обмежена площина Q, в якій відбувся зсув сусідніх частин кристалу на одну міжатомну відстань у напрямку дії сил F. При цьому паралельні атомні площини в безпосередній близькості від лінії дислокації АВ трансформуються у гвинтову поверхню. В ядрі дислокації атоми зсунуті з положень рівноваги. Гвинтові дислокації, на відміну від лінійних, не притягують вакансій і міжвузлових атомів. Гвинтова дислокація є правою, якщо хід її гвинтової поверхні такий, як у правої різьби, і лівою, якщо хід - як у лівої різьби.
Рис.1.10. Схема гвинтової дислокації АВ
Поверхневі дефекти представляють собою поверхні розділу між окремими зернами в полікристалічному металі. Вони малі в одному вимірі і значно більші в двох інших. До цих дефектів належать границі зерен, границі фрагментів і блоків.
Конструкційні метали та їх сплави мають полікристалічну будову: вони складаються із безлічі дрібних (1000…0,1 мкм), по-різному орієнтованих один відносно другого кристалів, які мають неправильну форму і називаються кристалітами або зернами. Сусідні зерна мають неоднакову орієнтацію кристалічних ґраток. Між зернами існують вузькі перехідні зони шириною до декількох атомних діаметрів - границі зерен із нерегулярним розташуванням атомів.
Рис.1.11. Поверхневі дефекти (границя зерен)
На границях концентруються дислокації та домішки. Зерно не є кристалом ідеальної будови. Воно складається з фрагментів, а фрагменти - з блоків. Ґратки сусідніх фрагментів розорієнтовані на кут до кількох градусів, а ґратки сусідніх блоків - на кут менший за один градус. На границях фрагментів і блоків концентруються дислокації (рис.1.11). Якщо розорієнтація сусідніх зерен становить декілька десятків градусів, то такі границі називають великокутовими, а при розорієнтації до 5° - малокутові границі. Малокутові границі властиві фрагментам і блокам (рис.1.12); вони утворюються під час холодної деформації, рекристалізації й полігонізації.
По границях зерен порівняно легко здійснюється дифузія. Границі зерен мають помітний вплив на механічні властивості металів. Що дрібніші зерна, то вища пластичність і міцність металів.
Локальні нагромадження точкових дефектів (вакансій), а також газові порожнини, мікротріщини й неметалеві включення в металі називають об'ємними дефектами.