Металлы и сплавы. Структура металлов и сплавов
|
Металлами называют химические элементы, обладающие в твердом состоянии характерными физическими свойствами: высокой тепло-и электропроводностью, пластичностью, отражающей способностью. «Металлы - суть светлые тела, которые ковать можно» (М.В. Ломоносов). К металлам относятся 3/4 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Чистые металлы обладают сравнительно невысокими прочностью и твердостью, поэтому в технике применяются металлические сплавы. Сплавами называют металлические тела, состоящие из нескольких металлов (иногда неметаллов). Металлы и сплавы играли и играют важную роль в развитии техники и цивилизации. Например, изготовление бронзы - сплава меди с оловом - открыло новую эпоху в развитии материальной культуры, которая названа «бронзовым веком». Большинство металлов, находящихся в литосфере, образуют различные химические соединения. Вопросами извлечения металлов из природного сырья (руды) занимается металлургия. Металлы играют важную роль также и в современной технике, при этом используются практически все металлы, встречающиеся в литосфере. Все металлы и сплавы в твердом состоянии являются кристаллическими телами. Высокие прочность, теплопроводность, электропроводность, пластичность металлов обусловлены характером химической связи. В кристаллической структуре металла некоторая часть электронов слабо связана с атомами и может перемещаться по металлу (свободные электроны). Строение металлов может быть представлено моделью, в которой каркас из положительно заряженных атомов погружен в «электронный газ», который компенсирует силы отталкивания между ионами (металлическая связь). Все металлы и сплавы на их основе подразделяют на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные. К цветным относят все остальные металлы. Цветные (нежелезные) металлы разделяют на группы в зависимости от физических свойств: легкие (литий, магний), тяжелые (медь, свинец, олово), тугоплавкие (вольфрам, молибден), благородные (золото, платина и др.), рассеянные (галлий, индий и др.), редкоземельные (скандий, лантан и др.), радиоактивные (радий, уран и другие). Лишь немногие металлы содержатся в земной коре в значительном количестве. Кварки металлов (содержание в литосфере в процентах): Al - 8,8 %; Fe - 4,65 %; Mg - 2,1 %; Ti - 0,63 %. В строительстве применяются сплавы на основе железа (чугун и сталь), а также сплавы на основе меди, алюминия, магния, титана, цинка (бронза, латунь, авиаль, дуралюмин и др.). Кристаллическая структура металлов В твердом состоянии металлы и металлические сплавы имеют кристаллическую структуру. Большинство металлов образуют кристаллические структуры: кубическую объемно-центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную. Многие металлы, в зависимости от условий, образуют две и более кристаллических модификации (полиморфных форм). Например, железо образует две кристаллические структуры:  При повышении температуры или охлаждении железа полиморфные переходы происходят в последовательности:  Температуры фазовых переходов определяются методом термического анализа. В расплав вводят термопару и регистрируют изменение температуры при охлаждении или нагревании в системе координат температура - время. Фазовые переходы отражаются на кривых охлаждения (или нагревания) временным замедлением скорости изменения температуры - температурными остановками (рис. 13.1). Рисунок свидетельствует о четырех фазовых переходах при нагревании и охлаждении железа, то есть о полиморфизме железа.  Реальные кристаллические структуры отличаются от идеальных тем, что содержат различные дефекты: точечные (вакансии), одномерные (дислокации), двумерные (поверхностные), дефекты зерен, поверхность раздела фаз. Металлы и сплавы, которые применяют в технике, являются телами поликристаллическими, то есть состоящими из большого количества монокристаллов. Свойства металлов зависят не только от физических свойств их атомов, но и от микро- и макроструктуры, поэтому механические свойства металлов могут существенно отличаться от свойств отдельных кристаллов этого металла. Изменение и разнообразие свойств металлов и сплавов, применяемых в технике, достигается путем варьирования фазового состава, морфологии отдельных зерен, расположения зерен, строения межфазовых границ. Как было отмечено, сплавы состоят из нескольких металлов (компонентов сплава). При переходе сплава из жидкого в твердое состояние возможно образование твердых растворов, химических соединений и механических смесей компонентов, содержащихся в расплаве. Твердые растворы Твердыми растворами называют сплавы, в которых атомы различных металлов распределены в определенных пределах или неограниченно в общей кристаллической структуре. Растворимость в твердом состоянии характерна для всех кристаллических веществ. Примесные атомы, или атомы легирующего элемента, могут образовывать с матрицей основного кристалла твердые растворы замещения или твердые растворы внедрения. Твердые растворы замещения образуются теми атомами, которые имеют близкие по размерам радиусы (различие не превышает 15 %). Электрохимические твердые растворы внедрения образуются, когда размеры атомов компонентов существенно различаются и возможно внедрение атомов одного компонента в пустоты между атомами другого компонента. Например, углерод образует с железом твердые растворы внедрения, в которых атомы С, имеющие радиус 0,77 А, размещены между атомами Fe (между узлами кристаллической структуры), атомный радиус которого составляет 1,26 А. Химические соединения Образуются путем химического взаимодействия компонентов с появлением нового химического соединения (вещества). Соединение образует новую кристаллическую структуру, отличную от структур исходных металлов, и обладает индивидуальными физическими свойствами. Механические смеси Образуются при одновременной кристаллизации из расплава нескольких компонентов (механическая смесь или эвтектика). Эвтектики могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений. Кристаллизация сплавов, имеющих сложное строение, может идти одновременно по трем названным выше вариантам. Поведение сплавов при нагревании и охлаждении удобно изучать по диаграммам состояния, которые отражают в обобщенном виде результаты исследования процессов кристаллизации и структурно-фазовых превращений в системе. Диаграммы содержат данные о температурах начала и конца кристаллизации расплава, фазовых превращениях при нагревании и охлаждении и др. Построение диаграмм состояния производится на основании результатов исследований сплавов методами химического, термического, микроскопического и других анализов. В зависимости от характера протекающих физико-химических процессов различают четыре типа диаграмм состояния двухкомпонентных (бинарных) систем.   Методику построения удобно рассматривать на диаграмме состояния 1-го типа (рис.13.3), когда компоненты бинарной системы неограниченно растворяются в жидком состоянии, не растворяются в твёрдом и образуют механическую смесь кристаллов (эвтектику). Система исследуется методом термического анализа. На графиках, отражающих характер изменения температуры при нагревании и охлаждении бинарной системы, имеются две температурных остановки (рис. 13.2). Первая температурная остановка на графике называется температурой начала кристаллизации (а), вторая - температурой конца кристаллизации (b). Если приготовить смеси с различным содержанием компонентов и выполнить термический анализ, то можно увидеть, что температура начала кристаллизации является величиной переменной, она зависит от концентрации компонентов. Температура конца кристаллизации от состава смеси не зависит. Далее полученные температурные остановки (критические точки) следует перенести на диаграмму состояния бинарной системы 1-го типа. Диаграмма строится в системе координат температура - концентрация компонентов. На диаграмме линии (t1 E) и (Е t2) соответствуют температурам начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), а линия (t3 E) - температуре конца кристаллизации (линия солидуса). Сплав, который кристаллизуется при температуре конца кристаллизации называется эвтектическим сплавом, или эвтектикой, и соответствует точке E на диаграмме. Выше линии ликвидуса (t1 E t2) сплав находится в жидком состоянии, ниже линии солидуса (t3 E t3) - кристаллический сплав. Слева от точки E кристаллизация начинается с выделения из расплава кристаллов компонента А. В интервале температур сплав состоит из кристаллов компонента А и жидкой фазы. При понижении температуры содержание компонента А в жидкой фазе понижается по кривой (t1 E). Если перенести точку, соответствующую заданной температуре, на линию ликвидуса и далее на ось концентраций, можно определить состав жидкой фазы. Кристаллизация расплава заканчивается в точке E образованием механической смеси (эвтектики), состоящей из кристаллов компонентов А и В. В твердом состоянии сплав имеет неравномерно-зернистую кристаллическую структуру, содержит сравнительно крупные кристаллы компонента А и мелкокристаллическую эвтектику. Кристаллизация сплава, состав которого находится справа от точки Е, начинается с выделения кристаллов компонента В и заканчивается образованием эвтектики. Кристаллизация эвтектического сплава, соответствующего точке Е, происходит при минимальной для данной системы температуре. На диаграмме (рис. 13.3) t1 и t2 - температуры кристаллизации чистых компонентов А и В. Диаграмма состояния позволяет определить фазовый состав и структуру сплава при заданной температуре. Если компоненты бинарной системы образуют химическое соединение, устойчивое в рассматриваемом интервале температур, то диаграмму можно считать составленной из двух диаграмм 1-го типа, так как химическое соединение можно рассматривать как независимый компонент (рис. 13.4).  Диаграмма состояния 2-го типа - компоненты обладают полной растворимостью в жидком и твёрдом состоянии (рис. 13.5). На дианрамме t1 и t2 - температуры плавления чистых компонентов A и В. Выше линии ликвидуса (t1 С t2) сплав находится в жидком состоянии, ниже солидуса (t1 D t2) - в твердом. При охлаждении расплава, соответствующего точке К до температуры t3, начинается выделение кристаллов твердого раствора. Состав кристаллов можно определить, если провести линию параллельную оси абсцисс до линии солидуса, состав кристаллов соответствует точке t4. Следовательно, выделяющиеся кристаллы будут содержать повышенное количество компонента с более высокой температурой плавления. При дальнейшем понижении температуры состав жидкой фазы будет изменяться по кривой (t3 С t1), а состав выделяющихся кристаллов по кривой (t4 D t1), то есть из расплава выделяются кристаллы твердого раствора компонента В в компоненте А переменного состава. Диаграмма состояния 3-го типа - компоненты неограниченно растворяются в жидком состоянии и ограниченно - в твердом (рис. 13.6). Выше линии ликвидуса (t1 E t2) - компоненты находятся в жидком состоянии, ниже линии солидуса (t1 C E D t2) - в твердом. В области II существуют кристаллы твердого раствора компонента В в компоненте А и жидкий сплав; в области III - кристаллы твердого раствора компонента А в компоненте В и жидкий сплав; в области IV - твердые ненасыщенные растворы компонента В в компоненте А и; в области V - твердые ненасыщенные растворы компонента А в компоненте В; в области VI - совместное существование кристаллов твердого насыщенного раствора В в А и эвтектики, смеси кристаллов твердых растворов В в А и А в В; в области VII - совместное существование твердого насыщенного раствора А в В и эвтектики.  Максимальная растворимость компонента В в компоненте А в твердом состоянии соответствует точке С, а компонента А в компоненте В - точке D. С понижением температуры растворимость компонента В в компоненте А понижается по линии (С F), поэтому из твердого раствора выделяется компонент В в виде вторичного твердого раствора компонента В в компоненте А. По линии (D К) выпадает вторичный твердый раствор компонента А в компоненте В. В точке E образуется эвтектика - смесь кристаллов твердых растворов В в А и А в В. В системе железо — углерод образуется химическое соединение - Fe3C, карбид железа (цементит). Диаграмма состояния железо - цементит широко используется в практике. По диаграмме можно судить о структуре медленно охлажденных сплавов, а также об изменении структуры в зависимости от температуры и содержания углерода в сплаве (рис. 13.7).  Основными структурами и структурными составляющими сплавов в системе Fe - Fe3C являются: Феррит - твердый раствор углерода в aFe, максимальное содержание углерода при 727 °C - 0,02 %, существует при температуре ниже 911 °C. Аустенит - твердый раствор углерода в γFe, существует при температуре выше 727 °C; ниже этой температуры распадается на феррит и цементит. Углерод образует твердый раствор внедрения. Максимальная растворимость углерода в γFe - 2,14 % (точка С на диаграмме). Цементит - карбид железа Fe3C, содержит 6,67 % углерода, обладает высокой твердостью и хрупкостью. При медленном охлаждении сплава распадается с образованием феррита и графита. Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723 °C и содержании углерода - 0,83 %. Ледебурит - эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130 °C и содержании углерода 4,3 % (точка Е). Ледебурит твёрд, хрупок, при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Графит - образуется при распаде цементита на феррит и графит. Встречается в серых и ковких чугунах. Диаграмма состояния Fe — Fe3C (рис. 13.7) более всего похожа на диаграмму 3-го типа (рис. 13.6) для компонентов, обладающих ограниченной растворимостью в твердом состоянии. На диаграмме состояния Fe — Fe3C точка А соответствует температуре плавления железа и точка В - температуре плавления цементита. (AEB) -линия ликвидуса, в области I - жидкий сплав. (ACED) - линия солидуса. В области III существуют кристаллы первичного цементита и жидкий сплав, в области II - кристаллы аустенита переменного состава и жидкий сплав. По линии (С E D) кристаллизуется эвтектический сплав состава, соответствующего точке E; ледебурит состоит из кристаллов аустенита (твердого раствора углерода в γFe) и кристаллов первичного цемента, содержание углерода - 4,3 %. При температуре, соответствующей линии солидуса, сплавы можно разделить на три группы: 1. 0-2,0 % С - аустенит, область IV на диаграмме (рис. 13.7). 2. 2,0-4,3 % С - аустенит + ледебурит (эвтектика), область IX. 3. 4,3-6,67 % С - первичный цементит + ледебурит, область X. Превращения в системе Fe — Fe3C, протекающие при дальнейшем понижении температуры (ниже линии солидуса), обусловлены понижением растворимости углерода в γFe и превращением γFe → aFe. По линии (G S) из аустенита выделяется aFe (феррит). Феррит выделяется, когда содержание углерода в сплаве не превышает 0,9 %. При более высоком содержании углерода выделяется цементит по линии (S С) (вторичный цементит). В точке S аустенит распадается на смесь мелких кристаллов феррита (αFe) и цементита, которая называется эвтектоидной смесью (эвтектоидом). Структура, соответствующая эвтектоидной смеси, называется перлитом, содержание углерода - 0,83 %. Сплавы, содержащие до 2 % углерода, называют сталью, сплавы, содержащие от 2 до 6,67 % С, - чугуном. Чугуны и стали обладают различающимися физическими свойствами и областью применения в строительстве. |
