Строение металлов

  1. Зеренное строение металлов. Границы зерен и субзерен.

   

   Металлы – это поликристаллические тела, они состоят из мелких кристаллов. Характеризуются металлическими свойствами и составляют 50 % всех химических элементов. Строение металлов и их сплавов кристаллическое.

      В процессе кристаллизации кристаллы  приобретают неправильную форму.  Их называют зернами. Каждое  зерно имеет свою ориентировку  кристаллической решетки, которая  отличается от ориентировки соседних  зерен. Размер зерна металла  влияет на его механические свойства. Данные свойства, вязкость и пластичность, значительно выше, если металл имеет мелкое зерно.

     Поверхности  раздела зерен называются границами  зерен, которые могут быть: наклонными  при расположении оси вращения  в той же плоскости, что и граница; кручеными при перпендикулярно расположенной оси к плоскости. Такой кусок металла является поликристаллом. Границы зерен определяются точками соприкосновения смежных кристаллов. О размерах, структуре и характере строения зерен можно судить по изломам металла.

     В  поликристаллических материалах  размер зерен от 1 до 1000 мкм. Зерна  разориентированы, повернуты одни  относительно других до десятков  градусов. Границы являются основным  дефектом в металлах. На границах  между зернами атомы не имеют правильного расположения. Существует переходная область шириной в несколько атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с иной ориентацией. Строение переходного слоя (границы) способствует скоплению в нем дислокаций, так как при переходе через границу ни плоскость скольжения, ни вектор Бюргерса не сохраняются неизменными. Нарушение правильности расположения способствует тому, что на границах зерен повышена концентрация тех примесей, которые понижают поверхностную энергию. Внутри зерен нарушается правильное кристаллическое строение.

     Границы  субзерен менее нарушены. Все  металлы имеют общие свойства: пластичность, высокую тепло– и  электропроводность, специфический  металлический блеск, повышают  электросопротивление с ростом температуры.

     Из  жидкого расплава вырастает монокристалл, который представляет собой один  кристалл. Размеры монокристаллов  невелики, их используют в лабораториях  для изучения свойств какого-либо  вещества. Металлы и сплавы, которые  получают в самых обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, они имеют поликристаллическое строение.

     Изучение  строения металлов с помощью  рентгеноструктурного анализа и  электронного микроскопа позволило  установить, что внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки – это нарушения укладки атомов в решетке.

     Расположение  атомов в решетке может быть  в форме центрированного куба (б– и в-железо, б-титан, хром, молибден, вольфрам, ванадий), куба, грани которого  центрированы (г-железо, алюминий, медь, никель, свинец, в-кобальт) или гексагональны, или в форме ячейки (магний, цинк).

     Зерна  в поликристаллах не являются  монолитными, а состоят из отдельных  субзерен, которые повернуты одно  относительно другого на малый  угол. Субзерно является многогранником, в котором содержится либо  незначительное количество дислокаций, либо их совсем нет. Основные характеристики субзерен: тип, расположение, строение, плотность дислокаций. Многие дислокации образуются в результате механического сдвига.

     Границы  субзерен и зерен в металлах  разделяют на малоугловые и большеугловые. Малоугловые границы наблюдаются между субзернами и имеют дислокационное строение. Малоугловую границу можно представить с помощью ряда параллельных краевых дислокаций. Образование субзерен с малоугловыми дислокациями называется полигонизацией. Структура большеугловых границ более сложная. Субграницы образованы определенными системами дислокаций. В зависимости от того, какой материал и какое воздействие на него оказывает окружающая среда, находится расположение дислокаций. Если металл мало деформирован, то местом скопления дислокаций являются плоскости скольжения. Если же такие металлы, как алюминий, железо подвергаются сильной деформации, то дислокации представлены в виде сложных сплетений: пространств, сетки.

     Структура,  в которой субзерна разориентированны друг относительно друга на угол 15-300, является блочной или мозаичной.

     Плотность  дислокаций в металле повышается  при увеличении угла разориентации  субзерен и уменьшением их  величины. Атомы, расположенные на  границах зерен, и атомы на поверхности кристалла из-за нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия, имеют более высокую потенциальную энергию, по сравнению с атомами в объеме субзерен. Наличие дислокаций влияет на прочностные качества металлов. По теоретическим подсчетам предел упругости чистых металлов в 1000 раз превышает реальный, а предел упругости стали – в 100 раз. 

    2. Холодная и горячая деформация.

 

     В зависимости от соотношения температуры деформации и температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформации. Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температурах  ниже  температуры  рекристаллизации,  поэтому  холодная  деформация  сопровождается  упрочнением  (наклепом)  металла.

     Деформацию  называют  горячей,  если  ее  проводят  при  температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры.

     При этих температурах деформация также вызывает упрочнение («горячий  наклеп»),  которое  полностью  или  частично  снимается  полигонизацией и рекристаллизацией, протекающими при температурах обработки  и  при  последующем  охлаждении.  В  отличие  от  статической полигонизации и рекристаллизации, рассмотренные ранее, процессы  полигонизации  и  рекристаллизации,  происходящие  в период деформации, называют динамическими.

     При горячей обработке давлением (прокатке, прессовании, ковке, штамповке и т. д.) упрочнение в результате наклепа (повышение плотности дислокации) непосредственно в процессе деформации не-

прерывно   чередуется   с   процессом   разупрочнения   (уменьшением плотности  дислокаций)  при  динамической  полигонизации  и  рекристаллизации во время деформации и охлаждения. 

     В этом основное отличие динамической полигонизации и рекристаллизации  от  статической.  Механизмы  процессов  статической  и динамической полигонизации и рекристаллизации одинаковые.

     Следует подчеркнуть, что границы между холодным и горячим деформированием  условны  и  зависят  от схемы, скорости и температуры обработки, условий охлаждения, а также скорости рекристаллизации металла (сплава). 

     Горячую деформацию в зависимости от состава сплава и скорости деформации обычно проводят при температурах (0,7 – 0,75) Тпл.. При этих температурах процессы динамической полигонизации

и рекристаллизации успевают проходить в процессе деформации, что значительно снижает сопротивление металла пластической деформации и повышает пластичность.

     Когда металл после деформации имеет частично рекристаллизованную структуру, то такую обработку правильнее называть неполной горячей  или  теплой  деформацией.  В этом  случае  процесс деформации металла с большими обжатиями и больших сечений затруднен.  

    3. Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения железа. Изменения свойств феррита при легировании.  

     Все элементы, за исключением углерода, азота, водорода и отчасти  бора,  образуют  с  железом  твердые  растворы  замещения.  Растворяясь  в  железе,  они  влияют  на  положение  точек  А3  и  A4,  определяющих температурную область существования α- и γ-железа.

     Легирующие  элементы  по  влиянию  на  температурную  область существования полиморфных модификаций железа можно разделить на две группы.

     К  элементам  первой  группы  относятся  никель  и  марганец,  кобальт, палладий, платина; они понижают точку А3 и повышают точку A4. В результате этого на диаграмме состояния железо − легирующий элемент наблюдается расширение области γ-фазы и сужение области существования α-фазы (рис. 2, а). Сплавы, имеющие концентрацию легирующего  элемента больше  указанной на  рис. 2,  а (точка n),  не испытывают  фазовых превращений γ⇄α  и  при  всех  температурах

представляют   собой   твердый   раствор   легирующего   элемента   в  γ-железе. Такие сплавы называются аустенитными.

     Сплавы, частично претерпевающие превращение γ⇄α, называют

полуаустенитными.

     Элементы второй группы (Сr, W, Mo, V, Si, A1 и др.) понижают точку А4 и повышают точку А3. Это приводит к тому, что при определенной концентрации легирующих элементов (см. точку m на рис.1,

б) критические  точки, а точнее их интервалы А4 и А3, сливаются и область  γ-фазы  полностью  замыкается.  При  содержании  легирующего элемента  большем,  чем  указано  на  рис. 1,  в (точка m),  сплавы  при всех  температурах  состоят  из  твердого  раствора  легирующего  элемента  в  α-железе.  Такие  сплавы  называют  ферритными,  а  сплавы, имеющие лишь частичное превращение,

α ⇄γ − полуферритными.    

     Легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают его предел прочности (рис. 2, а), не изменяя существенно относительного  удлинения  (рис. 2,  б),  за  исключением марганца  и кремния при содержании их > 2,5 − 3,0 %.

 

Рис. 1.  Схемы  влияния легирующих элементов на полиморфизм железа  

     Наиболее  сильно  упрочняют  феррит,  кремний,  марганец  и  никель.  Остальные  элементы  сравнительно  мало  изменяют  прочность феррита.

     Легирующие  элементы  при  введении  их  в  сталь  в  количестве > 1 − 2 % снижают ударную вязкость (рис. 2, в), а при более высоком содержании  повышают  порог хладноломкости.  Исключение  составляет  никель,  который,  упрочняя  феррит,  одновременно  увеличивает его ударную вязкость и понижает порог хладноломкости. Этим объясняются высокие вязкие свойства сталей, содержащих никель.

     Легирующие   элементы,   растворяясь   в   γ-железе,   повышают прочность  аустенита  при  нормальной  и  высоких  температурах.  Для аустенита характерен низкий предел текучести при сравнительно высоком пределе прочности. Аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Аустенит легко наклёпывается, т. е. быстро и сильно упрочняется под действием деформации.

        а                                                                 б        

                                    

                 Легирующий элемент, %                     Легирующий элемент, %

      в 

      

                     Легирующий элемент, %

 

Рис. 2. Влияние легирующих элементов на временное сопротивление

разрыву (а), относительное  удлинение (б) и ударную вязкость (в) феррита

  

     Карбидная фаза в легированных сталях. По отношению к углероду легирующие элементы следует распределить на три группы:

•  графитизирующие  элементы:  кремний,  никель,  медь  и  алюми-

ний (эти элементы находятся в твердом растворе);

 •  нейтральные:  кобальт, который в стали не  образует карбидов и 

не вызывает графитизации;

•  карбидообразующие  расположены в следующем порядке по возрастающей  степени  сродства  к углероду  и устойчивости  карбидных фаз: Fe → Mn → Cr → Мо → W → V → Zr → Ti.

     Активность этих элементов как карбидообразователей тем сильнее, а устойчивость карбидов против диссоциации и растворения при нагреве  в  аустените  тем  больше,  чем  менее  достроена  электронная  d-подгруппа соответствующего металла переходных групп.

     При  введении,  например,  ванадия  в  сталь,  содержащую  хром  и молибден,  более  сильный  карбидообразующий  элемент  ванадий  при отсутствии  достаточного  количества  углерода  отнимает  его  сначала от карбида хрома, а затем от карбида молибдена. Хром и молибден в этом случае переходят в твердый раствор.