УТВЕРЖДАЮ:

Зам. директора по УПР

__________ Е.В. Литаврина

Подпись

«___» __________2020 г.

План - конспект занятия

Тема: Типы атомных связей и их влияние на свойства материала. Строение металлических материалов.

Методы изучения свойств металлов и сплавов

Цель урока:

Обучающая– закрепить и расширить знания о физических, химических, механических свойствах металлов, его строении.
Развивающая – развитие логического и технического мышления  у обучающихся, способность анализировать, сравнивать, классифицировать, обобщать полученный материал, вести конспект, развивать внимание, делать выводы.
Воспитывающая - воспитание любви к выбранной профессии, уважения к труду и к людям труда, дисциплины, внимания, аккуратности и коммуникативных навыков.

Тип урока: изучение нового материала

Вид урока: комбинированный.

Методы обучения: объяснительно – иллюстративный, частично –поисковый, ИКТ.

Межпредметная связь: ПМ 1, ПМ 2, ПМ 3

Внутрипредметная связь: тема «Свойства металлов и сплавов».

Материально-техническое оснащение: мультимедийная аппаратура, учебник «Материаловедение».

Различают четыре вида связи, обусловленной силами притяжения: ионную, ковалентную, металлическую и силы Ван-дер-Ваальса.

Ионная связь

Ионная связь присуща соединениям, образованным разнородными атомами. Внешние электроны атомов одного элемента переходят на внешние орбиты атомов другого элемента, образуя устойчивые электронные конфигурации.

В качестве типичного примера вещества с ионным типом связи можно привести поваренную соль - NaCl.

Натрий принадлежит к первой группе Периодической системы, на его внешней орбите находится один электрон. Хлор - элемент седьмой группы, на его внешней орбите расположено семь электронов. Переход одного электрона натрия на орбиту хлора приводит к образованию двух разнозаряженных ионов с устойчивой конфигурацией.

Положительный ион натрия получает устойчивую конфигурацию неона; отрицательный ион хлора - устойчивую конфигурацию аргона. Межатомные силы притяжения - электростатические, поэтому ионная связь является сильной.

Твердое вещество с ионной связью характеризуется тем, что рядом с каждым положительным ионом находятся только отрицательные ионы, и наоборот. Таким образом, атомы в веществе располагаются строго упорядочение.

Ионный тип связи характерен для химических соединений. Наиболее известный и широко распространенный материал с ионным типом связи - стекло, основой которого являются оксиды различных элементов.

Ковалентная связь

Ковалентная связь устанавливается в результате образования устойчивых соединений путем обобществления атомами нескольких электронов. Примером такой связи может служить молекула хлора, образованная двумя атомами, каждый из которых имеет по семь электронов на внешней орбите. Устойчивая конфигурация, для которой характерно наличие восьми атомов на внешней орбите, образуется в результате обобществления одного электрона.

Образование устойчивых конфигураций определяется правилом 8 - TV, где N - число электронов на внешней орбите. Так, при образовании молекулы кислорода обобществляются два электрона, потому что на внешней орбите атома кислорода находятся шесть электронов.

Ковалентная связь характерна для многих кристаллических твердых тел. Примером может служить алмаз - кристаллическая модификация углерода с ковалентной связью. Углерод имеет четыре валентных электрона. Образование алмаза происходит при обобществлении по одному электрону каждого из четырех атомов.

Механическая прочность ковалентной связи обычно достаточно велика вследствие ее направленного характера. Собственно сила связи зависит от природы вещества. Так, она весьма велика у алмаза и значительно, на несколько порядков, слабее у полимеров, для которых характерны ковалентные связи.

Металлическая связь

Атомы металлов имеют небольшое количество (один или два) внешних (валентных) электронов, которые слабо связаны с ядром. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних орбитах, теряют связь со своими атомами и коллективизируются, т.е. становятся достоянием всех атомов данного металла, образуя электронный газ. Положительно заряженные ионы располагаются на таком расстоянии друг от друга, что силы притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ионами уравновешиваются силами отталкивания между ионами.

Наличие электронного газа определяет свойства металла: высокие тепло- и электропроводность. Отсутствие сильных направленных связей между атомами, характерных для ионного и ковалентного типов связи, определяет одно из важнейших свойств металлов - их пластичность, т.е. способность изменять форму без разрушения. Поэтому при изготовлении металлопродукции широко применяют методы пластического деформирования - ковку, прокат, волочение.

Силы Ван-дер-Ваальса

Происхождение этих сил связано с тем, что атомы являются малыми диполями. В среднем по времени электроны в атоме симметрично распределены в пространстве относительно ядер, но в каждый конкретный момент центр отрицательных зарядов может не совпадать с ядром, имеющим положительный заряд, так и образуется диполь. Взаимодействие диполей приводит к появлению сил притяжения. Это взаимодействие несколько усиливается вследствие того, что наличие диполя, образованного одним атомом, способствует появлению диполя у соседнего атома.

Силы Ван-дер-Ваальса существуют между всеми атомами. Они слабы и приобретают значение только при отсутствии более сильных связей других типов, рассмотренных выше. Эти силы существенно влияют только на взаимодействие больших органических молекул, являющихся основой полимеров.

Кристаллическое строение металлов. Изучением внутреннего строения и свойств металлов и сплавов занимается наука, называемая металловедением.

Все металлы и сплавы построены из атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Электроны заряжены отрицательно и если создать незначительную разность потенциалов, то электроны направятся к положительному полюсу, образуя электрический ток. Этим и объясняется электропроводность металлических веществ.

Все металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. В отличие от некристаллических (аморфных) тел, у металлов атомы (ионы) расположены в строго геометрическом порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку. Взаимное расположение атомов в пространстве и расстояния между ними устанавливаются рентгеноструктурным анализом. Расстояние между узлами в кристаллической решетке называется параметром решетки и измеряется в ангстремах Å (10-8 см). Параметры решетки различных металлов колеблются от 2,8 до 6 Å 

а — кубическая объемноцентрированная

б — кубическая гранецентрированная

в —гексагональная

Для наглядного представления о расположении атомов в кристалле используют пространственные схемы в виде элементарных кристаллических ячеек. Наиболее распространенными типами кристаллических решеток являются кубическая объемноцентрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная.

В кубической объемноцентрированной решетке расположено девять атомов. Такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден, ванадий и железо при температуре до 910° С.

В кубической гранецентрированной решетке расположено 14 атомов. Такую решетку имеют: медь, свинец, алюминий, золото, никель и железо при температуре 910—1400° С.

В гексагональной плотноупакованной решетке расположено 17 атомов. Такую решетку имеют: магний, цинк, кадмий и другие металлы.

Взаимное расположение атомов в пространстве, количество атомов в решетке и междуатомные пространства характеризуют свойства металла (электропроводность, теплопроводность, плавкость, пластичность и т. д.).

Расстояние между атомами в кристаллической решетке может быть различным по разным направлениям. Поэтому и свойства кристалла по разным направлениям не одинаковы. Такое явление называется анизотропией. Все металлы — тела кристаллические, поэтому они являются телами анизотропными. Тела, у которых свойства во всех направлениях одинаковые, называются изотропными.

Кусок металла, состоящий из множества кристаллов, обладает в среднем свойствами, одинаковыми во всех направлениях, поэтому он называется квазиизотропным (мнимая изотропность).

Анизотропность имеет большое практическое значение. Например, путем ковки, штамповки, прокатки в деталях получают правильную ориентацию кристаллов, в результате чего вдоль и поперек детали достигаются различные механические свойства. С помощью холодной прокатки добиваются высоких магнитных и электрических свойств в определенном направлении детали.

Одна из важных задач металловедения заключается в установлении фундаментальных связей между составом, строением и свойствами металлов и сплавов. Для решения этой задачи необходимо тщательное изучение структуры металлов и сплавов на макро- и микроуровнях. Существующие методы исследования структуры металлов можно подразделить на две основные группы: металлографические и фрактографические. Металлографические методы исследования позволяют выполнить структурный анализ металлов и сплавов.
Макроструктурный анализ состоит в изучении структуры металлов и сплавов невооруженным глазом или с помощью луп, обладающих увеличением до 50 раз. Этот анализ проводят после шлифования и химического травления поверхности металла реактивами. При этом в поле зрения попадает относительно большая поверхность изучаемого металла. Макроструктурный анализ позволяет установить форму и расположение крупных зерен в литом металле, выявить трещины, усадочные пустоты, зональную ликвацию (неоднородность по химическому составу в объеме слитка).
Микроструктурный анализ состоит в изучении структуры металлов и сплавов с помощью световых микроскопов, обладающих увеличением от 50 до 2000 раз и более. Для микроструктурного анализа необходимо изготовить небольшой образец (микрошлиф), имеющий обычно форму цилиндра или призмы. Плоскую поверхность микрошлифа готовят более тщательно, чем при макроструктурном анализе. После шлифовки и полировки поверхность подвергают химическому травлению специальными реактивами. Так, например, для углеродистых сталей и чугунов применяют спиртовой 2-4%-ный раствор азотной или пикриновой кислоты. В результате действия травителя происходит растворение металлических зерен и их пограничных слоев, причем эти слои растворяются более интенсивно. Это приводит к тому, что отражение вертикально падающих лучей света от поверхности зерен и их границ происходит под разными углами. Поэтому границы зерен выявляются в виде темных линий. Кроме того, имеются различия в скоростях растворения отдельных фаз и структурных составляющих. После травления микрошлиф промывают в проточной воде, высушивают и размещают на предметном столике металлографического микроскопа. Перемещая столик микрометрическими винтами, можно детально изучить различные относительно малые участки поверхности металла. Чем больше увеличение микроскопа, тем выше локальность анализа. Микроструктурный анализ позволяет установить размеры кристаллических зерен, относительное количество структурных составляющих. размеры и расположение неметаллических включений, наличие микродефектов в виде пор и трещин, дендритную ликвацию в объеме отдельного зерна, ориентировочно химический состав, изменения в строении сплава под воздействием различных видов обработки. Однако теоретическая разрешающая способность оптического микроскопа равна длине волны света, т.е. приблизительно 0.6 мкм. Поэтому для изучения более тонкой структуры применяют методы электронной микроскопии. использующие взаимодействие потока электронов с твердым телом.
Метод просвечивающейся электронной микроскопии основан на упругом рассеянии электронов в поле электрического потенциала атомов. Один из простых способов изучения микроструктуры этим методом предусматривает подготовку тонких пленок-реплик путем конденсации паров углерода на поверхности металла в вакууме. Реплика с высокой точностью воспроизводит микрошлиф изучаемой поверхности. Разрешающая способность просвечивающего электронного микроскопа составляет приблизительно 1 нм.
Метод растровой электронной микроскопии основан на сканировании тонким электронным пучком изучаемой поверхности металла. При этом электроны испытывают неупругие столкновения с электронами образца и упругие столкновения с ядрами. Электроны, испускаемые металлом под воздействием электронного пучка, регистрируются специальными датчиками. Разрешающая способность растрового электронного микроскопа ниже, чем просвечивающего, и составляет 7-10 нм. Но вместе с тем растровая электронная микроскопия позволяет получить более четкое изображение микрошлифа изломов металлов и сплавов.
Однако следует отметить, что для изучения изломов разрушенных материалов предназначены фрактографические методы исследования. При фрактографических исследованиях поверхность излома полировке и шлифовке (как при металлографических исследованиях) не подвергается, благодаря чему имеется возможность изучить излом в естественном виде с сохранением разрушенных элементов микроструктуры. По излому можно получить ценную информацию о поведении металла под действием критических нагрузок и выявить не только характер, но и причину его разрушения.
Макрофрактография заключается в изучении поверхности изломов на макроуровне невооруженным глазом или с небольшим увеличением, как при макроструктурном анализе. На этом уровне можно качественно установить характер и вид разрушения материала (вязкий, хрупкий, смешанный).
Микрофрактография заключается в изучении поверхности излома с помощью электронного микроскопа. Как уже отмечалось выше, высокая глубина резкости позволяет детально исследовать топографию поверхности разрушения, включая микрополости.
Для изучения кристаллических решеток и их дефектов, исследования действующих в них микронапряжений используют рентгеноструктурный метод. Этот метод основан на рассеянии рентгеновских лучей электронами твердого тела. Метод позволяет выявлять тонкие структурные изменения в металле при обработке различными способами, оценивать концентрацию дефектов упаковки, плотность дислокаций, проводить фазовый анализ сплавов.
Помимо перечисленных методов изучения и анализа структуры существуют методы, основанные на изменении теплофизических, электрических и магнитных свойств металлов и сплавов. Так, например. в металлах и сплавах могут происходить обратимые и необратимые изменения линейных размеров и объема. Если изменения необратимы, то это свидетельствует о фазовых превращениях в материале.
На этом принципе основан дилатометрический метод, который дает возможность выявить критические точки в металлах и сплавах, характеризующие фазовые превращения.
В основе электрических методов лежит изменение электросопротивления, которое реагирует на состав сплавов, фазовые превращения, дефекты микроструктуры.
Магнитный метод основан на изменении магнитных свойств металлов и сплавов. Магнитный анализ позволяет изучить процессы при переходе из парамагнитного состояния в ферромагнитное и наоборот. Метод применяют при исследовании влияния легирующих элементов, термической, термомеханической и других видов обработки на структуру материалов.

Реальные металлы, которые используют в качестве конструкционных материалов, состоят из большого числа кристаллов неправильной формы. Эти кристаллы называют зернами, или кристаллитами, а строение — поликристаллическим, или зернистым.

Существующие технологии производства металлов не позволяют получить их идеальной чистоты, поэтому реальные металлы содержат примесные атомы. Любой металл, содержащий 99,9% — химически чистый, 99,99% — высокочистый, 99,999% — сверхчистый.

Атомы любых примесей по своим размерам и по своему строению резко отличаются от атомов основного компонента, поэтому силовое поле внутри реального металла и его строение сильно отличаются от теоретического. Дефекты кристаллического строения подразделяются по геометрическим признакам на поверхностные, точечные и линейные.

Поверхностные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или субзернами в поликристаллическом металле; к ним относятся также дефекты упаковки.

Границы между отдельными зернами представляют переходную область шириной до нескольких десятков межатомных расстояний, в которой решетка одного зерна, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого зерна, имеющего иную кристаллографическую ориентацию (рисунок 5, а). Поэтому на границе зерна наблюдается искаженное кристаллическое строение и более высокое энергетическое состояние. Кроме того, на границах зерен в технических металлах скапливаются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Это определяет особенности поведения границ зерен при механическом, температурном и химическом воздействии.

В результате нарушенного строения границы ослабляют или упрочняют металл, что приводит соответственно к межкристаллитному (межзеренному) или транскристаллитному (по телу зерна) разрушению. Под действием высоких температур металл стремится уменьшить поверхностную энергию границ зерен за счет роста зерен и сокращения протяженности их границ. При химическом воздействии границы зерен оказываются более активными и вследствие этого коррозионное разрушение начинается по границам зерен (это лежит в основе микроанализа металлов при изготовлении шлифов).

а – графит

б – алмаз

в — фуллерен С60

Рисунок — Полиморфные модификации углерода

Есть еще один источник поверхностного искажения кристаллического строения металла. Если рассмотреть зерно при большом увеличении, то окажется, что внутри его имеются участки, разориентированные друг относительно друга на угол 15’…30′. Такая структура называется блочной, или мозаичной, а области — блоками мозаики (рисунок 5, б).

Свойства металлов будут зависеть как от размеров блоков и зерен, так и от их взаимной ориентации.

а — границы зерен поликристаллического строения металлов;

б — участки разориентированной структуры зерна — блоки мозаики

Рисунок 5 — Источники поверхностных дефектов

Изучение строения металлов рентгеноструктурным анализом и электронной микроскопией позволило установить, что внутреннее кристаллическое строение зерна или блока не является правильным. В кристаллических решетках реальных металлов существуют дефекты, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. К ним относятся точечные и линейные дефекты.

Точечные дефекты малы в трех измерениях и размерами приближаются к точке. Виды этих дефектов приведены на рисунке 6.

Одним из распространенных дефектов является вакансия, т. е. место, не занятое атомом (дефект Шоттки). На место вакантного узла может перемещаться новый атом, а вакантное место — ”дырка” — образуется по соседству.

С повышением температуры концентрация вакансий возрастает, так как атомы, расположенные вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, находящиеся дальше от поверхности.

С повышением температуры концентрация вакансий возрастает, так как атомы, расположенные вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, находящиеся дальше от поверхности.

Наличие вакансий в решетке сообщает атомам подвижность, т.е. позволяет им перемещаться в процессе самодиффузии и диффузии и тем самым оказывает влияние на такие процессы, как старение, выделение вторичных фаз и т.п.

Другими точечными дефектами являются дислоцированные атомы (дефект Френкеля), т.е. атомы собственного металла, вышедшие из узла решетки и занявшие место где-то в междоузлии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия. Концентрация таких дефектов невелика, т.к. для их образования требуется существенная затрата энергии.

а б в

а — вакансия; б — замещенный атом; в — внедренный атом

Рисунок 6 — Виды точечных дефектов

а б

а — краевая дислокация; б — винтовая дислокация

Рисунок 7 — Виды дислокаций

В любом металле присутствуют чужеродные атомы примесей, которые занимают в кристаллической решетке либо места основных атомов (замещение), либо внедряются внутрь ячейки (внедрение).

Вокруг точечных дефектов нарушаются правильность кристаллического строения, силовое поле атомов во всех направлениях.

Линейные дефекты малы в двух измерениях, в третьем они могут достигать длины кристалла (зерна). К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и дислокации. Дислокации являются особым видом несовершенств в кристаллической решетке. С позиции теории дислокаций рассматриваются прочность, фазовые и структурные превращения.

Дислокацией называется линейное несовершенство, образующее внутри кристалла зону сдвига.

Дислокации бывают краевые и винтовые (рисунок 7).

Краевая дислокация образуется, если внутри кристалла появляется лишняя полуплоскость атомов, которая называется экстраплоскостью. Ее край 1-1 создает линейный дефект решетки, который называется краевой дислокацией. Условно принято, что дислокация положительная, если она находится в верхней части кристалла и обозначается знаком ”^”, если дислокация находится в нижней части — отрицательная (“┬“). Дислокации одного и того же знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются. Под воздействием напряжения краевая дислокация может перемещаться по кристаллу (по плоскости сдвига), пока не достигнет границы зерна (блока). При этом образуется ступенька величиной в одно межатомное расстояние.

Винтовая дислокация (рисунок 7, б). Образуется неполным сдвигом кристалла по плотности Q. В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация параллельна вектору сдвига. Она называется правой, если образована движением по часовой стрелке, и левой – против часовой стрелки.

Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов при ”захлопывании” группы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений. Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций. Под плотностью r дислокаций понимают суммарную длину дислокаций Sl (см), приходящуюся на единицу объема V кристалла (см3). Таким образом. размерность плотности дислокаций, см-2, у отожженных металлов — 106…108 см-2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 1011…1012 см-2. Более высокая плотность дислокаций приводит к появлению микротрещин и разрушению металла.

Основы теории сплавов

Металлическими сплавами называются сочетания двух или нескольких металлов или металлов и металлоидов, у которых сохраняются металлические свойства. Большинство сплавов получают в жидком состоянии (сплавлением); однако они могут быть получены также путем спекания, электролиза, конденсации (сгущения) из парообразного состояния и др.

Компонентами называются химические элементы или химические соединения, образующие сплав.

Не всякое сочетание элементов дает сплав. Жидкое железо и свинец, например, разделяются на два слоя, и получение сплава из них невозможно.

Рис. 1. Микрорадио-автография сплава никеля с оловом

По числу компонентов сплавы делятся на двойные, тройные и т. д. Мы будем изучать двойные сплавы, приводя лишь некоторые данные о более сложных сплавах.

Если два компонента в жидком состоянии образуют однородный жидкий раствор, то при затвердевании получается сплав.

При этом в зависимости от природы компонентов, составляющих сплав, могут образоваться сплавы одного из трех типов:
1) сплав — механическая смесь компонентов;
2) сплав — твердый раствор компонентов;
3) сплав — химическое соединение компонентов.

Сплавы — механические смеси неоднородны и представляют мельчайшую смесь кристаллитов компонентов.

Сплавы — твердые растворы и сплавы — химические соединения однородны, причем первые могут образоваться при различном соотношении компонентов, а вторые — только при строго определенном весовом соотношении компонентов, как всякое химическое соединение.

В сплавах — твердых растворах атомы растворимого вещества либо замещают атомы растворителя в кристаллической решетке, либо внедряются в нее; сплавы — химические соединения образуют новую, особую кристаллическую решетку.

Системой называют совокупность веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Системы бывают простые и сложные. Простая система состоит из одного компонента. Сложная система включает несколько компонентов и представляет все возможные количественные сочетания их при различных температурах.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других составляющих (фаз) поверхностью раздела. Следовательно, фазами могут быть химические элементы, твердые и жидкие растворы и химические соединения. В жидком состоянии система содержит одну фазу; при затвердевании всегда имеются две фазы — жидкая и твердая. После затвердевания образуется или одна фаза (химический элемент, химическое соединение, твердый раствор), или сплав, содержащий смесь фаз.

Диаграммы состояния характеризуют процессы затвердевания и структурного изменения различных систем сплавов и дают наглядное представление о структуре любого сплава данной системы. Имея диаграмму состояния сплавов данных компонентов, можно заранее судить о свойствах всех сплавов данной системы. Диаграмма состояния позволяет научно подойти к выбору режимов горячей и термической обработки сплавов.

Рис. 2. Схемы распределения атомов в решетках твердых растворов: а — решетка замещения, б — решетка внедрения

Диаграммы состояния I типа характеризуют системы, компоненты которых в жидком состоянии полностью взаимно растворяются, а в твердом состоянии образуют механическую смесь кристаллов обоих компонентов.

Построение диаграммы состояния I типа разберем на примере системы сплавов свинец — сурьма (Pb—Sb). К системе сплавов свинец — сурьма относятся все составы между чистым свинцом (100% РЬ) и чистой сурьмой (100% Sb).

Чтобы не делать наблюдений над всеми составами сплавов, ограничимся анализом лишь шести сплавов данной системы с содержанием сурьмы 5, 10, 13,.20, 40 и 80%. Если нагреть каждый из этих сплавов до полного расплавления и с помощью пирометра и счетчика времени зафиксировать процесс их охлаждения, то по полученным данным можно построить кривые, приведенные на рис. 1. Перегибы и горизонтальные участки кривых характеризуют замедление или остановки падения температуры сплавов при равномерном охлаждении и показывают наличие критических точек при данных температурах.

Рис. 1. Кривые охлаждения сплавов свинец — сурьма: а — 5%§Ы б – 10% Sb; в — 13% Sb; г — 20% Sb; д — 40% Sb; е — 80% Sb

Пять из приведенных кривых показывают наличие двух критических точек для взятых сплавов при затвердевании, и только одна кривая, соответствующая сплаву с содержанием 13% Sb, имеет одну критическую точку 246°. Верхние критические точки соответствуют началу перехода сплавов из жидкого состояния в твердое, нижние — окончательному затвердеванию.

Для построения диаграммы состояния сплавов свинец — сурьма отметим в масштабе по горизонтали точки взятых нами сплавов, принимая, что слева будет чистый свинец, а справа — чистая сурьма (рис. 2). По вертикали разметим шкалу температуры и отложим критические температуры указанных сплавов. Свинец имеет температуру плавления 327°, сурьма 630°. Соединяя нижние критические точки, получим прямую DE, а соединяя верхние точки —две кривые АВ и ВС, сходящиеся в точке В с прямой DE.

Построенная диаграмма показывает, что начало затвердевания различных сплавов системы происходит при различных температурах, а окончание затвердевания — при одной определенной температуре для всей данной системы сплавов, и что один сплав (13% Sb) имеет, как и чистые.металлы, только одну критическую точку В, в которой происходит его. полное затвердевание.

Рис. 2. Диаграмма состояния системы сплавов Pb—Sb

Выше линии ABC все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия ABC называется линией ликвидуса1. Ниже линии DBE все сплавы находятся в твердом состоянии. Линия DBE называется линией сблидуса.

Проследим процесс кристаллизации сплавов данной системы и получающуюся в результате структуру.

В точке В при содержании 13% Sb, 87% Pb и при температуре 246э кристаллизация свинца и сурьмы происходит одновременно; образуется тонкая механическая смесь кристаллов свинца и сурьмы (двух фаз). Эта смесь называется эвтектикой3, а сплав соответствующего состава — эвтектическим. Эвтектический сплав имеет самую низкую температуру плавления из всех сплавов данной системы. Схема микроструктуры эвтектического сплава свинец — сурьма приведена на рис. 56. Здесь мы видим черточки кристаллов сурьмы на фоне участков кристаллов свинца.

Сплавы, содержащие меньше 13% Sb, называются доэвтектическими, а содержащие больше 13% Sb — заэвтектическими.

Доэвтектический сплав, содержащий 5% Sb, выше первой критической точки ах (рис. 3) находится в жидком состоянии. При охлаждении в точке ах из жидкого раствора выпадают центры кристаллизации (центрами кристаллизации называют мельчайшие частицы, зарождающиеся в жидком растворе или твердом металле) чистого свинца, так как свинец в этом сплаве находится в количестве избыточном по сравнению с эвтектическим составом. При дальнейшем охлаждении между точками ах и Ьх продолжается рост имеющихся кристаллов свинца и выпадение новых, поэтому количество свинца в жидком (маточном) растворе постепенно уменьшается, и около точки маточный раствор имеет эвтектический состав. Во второй критической точке Ьх при температуре 246° происходит кристаллизация всего оставшегося маточного раствора эвтектического состава. Ниже точки сплав находится в твердом состоянии и представляет смесь кристаллов избыточного свинца и эвтектики (рис. 5).

Рис. 3. Схема микроструктуры заэвтектического сплава Pb—Sb

Рис. 4. Схема микроструктуры эвтектического сплава Pb—Sb

Рис. 5. Схема микроструктуры доэвтекти-ческого сплава Pb—Sb

Аналогична идет процесс кристаллизации зазвтектических сплавов. Сплав, содержащий 40% Sb, выше первой критической точки а2 находится в жидком состоянии. При охлаждении в точке а2 из жидкого раствора выпадают центры кристаллизации чистой сурьмы. При дальнейшем охлаждении между точками а2 и Ь2 продолжается рост имеющихся кристаллов сурьмы и выпадение новых, поэтому количество сурьмы в маточном растворе постепенно уменьшается, и около точки Ь2 маточный раствор имеет эвтектический состав. Во второй критической точке Ь2 при температуре 246° происходит кристаллизация всего оставшегося маточного раствора эвтектического состава. Ниже точки Ь2 сплав находится в твердом состоянии и содержит смесь кристаллов сурьмы и эвтектики (рис. 6).

Обобщая изложенное применительно ко всей системе сплавов свинец — сурьма, отметим следующее:
а) по линии А В диаграммы начинается выпадение кристаллов свинца;
б) в области диаграммы ABD находятся кристаллы свинца и жидкий раствор, концентрация которого около линии BD приближается к эвтектической;
в) по линии BD затвердевает весь оставшийся маточный раствор эвтектического состава;
г) ниже линии BD находятся твердые доэвтектические сплавы, состоящие из кристаллов свинца и эвтектики;
д) по линии ВС начин-ается выпадение кристаллов сурьмы;
е) в области диаграммы СВЕ находятся кристаллы сурьмы и жидкий раствор, концентрация которого около линии BE приближается к эвтектической;
ж) по линии BE затвердевает весь оставшийся маточный раствор эвтектического состава;
з) ниже линии BE находятся твердые заэвтектические сплавы, состоящие из кристаллов сурьмы и эвтектики.

При нагревании сплавов вначале по линии солидуса (DE) расплавляется эвтектика, в которой при дальнейшем нагревании постепенно растворяются кристаллы свинца (у доэвтектических сплавов) или сурьмы (у заэвтектических сплавов); растворение заканчивается по линии ликвидуса (ABC), выше которой находятся жидкие растворы системы сплавов.

Если доэвтектический сплав свинец — сурьма охлаждать медленно, то образующиеся кристаллы свинца, будучи тяжелее маточного раствора, станут опускаться вниз и скапливаться на дне тигля. В затвердевшем таким образом слитке эвтектика будет сосредоточена в верхней части, а свинец — в нижней. При затвердевании заэвтектических сплавов выпадающие кристаллы сурьмы окажутся легче маточного раствора и будут всплывать вверх, поэтому в слитке эвтектика окажется внизу, а чистая сурьма — наверху. Это явление носит название ликвации по удельному весу.

В результате ликвации по удельному весу получаются слитки, неоднородные по составу, структуре и свойствам в различных частях и поэтому непригодные для изделий. Для предотвращения ликвации охлаждение сплавов следует вести быстрее, чтобы кристаллы не успевали всплывать или погружаться.

Диаграммы состояния II типа характеризуют системы, компоненты которых взаимно полностью растворяются как в жидком, так и в твердом состоянии. Примером этого может служить система сплавов медь — никель (Си — Ni).

Если взять несколько сплавов Си — Ni различной концентрации и произвести наблюдение за процессами их охлаждения подобно тому, как мы это делали со сплавами Pb—Sb, то по полученным критическим точкам можно построить диаграмму состояния сплавов системы Си—Ni.

На рис. 1, б в координатах температура — концентрация размечены точки по кривым рис. 1, а; «при соединении этих точек образуются две кривые: верхняя — ликвидуса и нижняя — солидуса. Эти кривые показывают, что как начало, так и окончание затвердевания происходят при неодинаковых температурах для различных сплавов системы.

Рис. 1. Диаграмма состояния системы сплавов Си—Ni

Проследим процесс затвердевания на примере сплава, содержащего 50% Си. Выше точки а сплав находится в жидком состоянии. При охлаждении в точке а из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы в виде твердого раствора меди в никеле, причем концентрация этого первоначального твердого раствора отличается от исходной повышенным содержанием высокоплавкого компонента (Ni) и может быть приблизительно определена, если из точки а провести горизонталь до пересечения с линией солидуса, В нашем примере концентрация никеля в центрах кристаллизации достигнет 83%. При дальнейшем охлаждении кристаллы твердого раствора растут за счет жидкой фазы, непрерывно обедняющейся никелем, и последние «капли» жидкого раствора содержат значительно меньше никеля, чем исходный жидкий раствор.

Однако вследствие весьма медленного охлаждения в каждый момент кристаллизации состав кристаллов выравнивается путем диффузии.

Если же охлаждение в процессе кристаллизации происходит быстро, состав внутри кристаллов не успевает выравняться и внутренние части каждого кристалла содержат больше тугоплавкого компонента (никеля), чем внешние.

Это явление называется внутри кристалл и ческой ликвацией.

Таким образом, ликвацией называют неоднородность химического состава сплавов, возникающую при кристаллизации.

Внутрикристаллическая ликвация может быть уничтожена отжигом, и тогда сплав — твердый раствор будет всюду иметь исходную концентрацию никеля (50%).

Следовательно, сплавы — твердые растворы в отличие от сплавов — смесей являются однофазными.

Взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии определяется:
1) близостью их расположения в периодической системе Менделеева (т. е. сходностью строения электронных оболочек их атомов);
2) близостью атомных диаметров;
3) подобием формы кристаллических решеток;
4) близостью температуры плавления компонентов.

При уменьшении сродства компонентов по одному или нескольким из этих признаков образуются системы сплавов с ограниченной взаимной растворимостью.

Механические свойства металлов и сплавов. К механическим свойствам металлов и сплавов относятся: прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, ползучесть и усталость.

Рис. 76. Виды нагрузок, вызывающих изменение формы металла или cплава

Прочность - это способность металла или сплава противостоять деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок - растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих и срезающих (рис. 76). Нагрузки бывают внешними (вес, давление и др.) и внутренними (изменение размеров тела от нагревания и охлаждения, изменение структуры металла и т. д.), а также статическими, т. е. постоянными по величине и направлению действия, или динамическими, т. е. переменными по величине, направлению и продолжительности действия. Методы определения прочности рассмотрены отдельно.

Твердостью называется способность металла или сплава оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Применяют следующие способы испытания твердости металлов и сплавов вдавливанием в поверхность образца:

стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм - определение твердости по Бринеллю;

стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом 120° - определение твердости по Роквеллу;

правильной четырехгранной алмазной пирамиды – определение твердости по Виккерсу.

Упругостью называется способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки (рис. 77).

Рис. 77. Деформация, характеризующая упругость (после снятия нагрузки образец возвращается в исходное положение)

Пластичностью называется способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия.

Ударной вязкостью называется способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Ударная вязкость измеряется в кгс•м/см2 (Дж/м2).

Ползучестью называется свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).

Усталостью называется постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок; свойство выдерживать эти нагрузки называется выносливостью.

Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение. При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности (временное сопротивление) σв, предел текучести (физический) σт, предел текучести условный (технический) σ0,2, предел пропорциональности σпц, истинное сопротивление разрыву Sк и относительное удлинение и сужение δ, φ.

Физические свойства металлов

Всем металлам присущи металлический блеск (однако In и Ag отражают свет лучше других металлов), твердость (самый твердый металл – Cr, самые мягкие металлы – щелочные), пластичность (в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe наблюдается уменьшение пластичности), ковкость, плотность (самый легкий металл – Li, самый тяжелый – Os), тепло – и электропроводность, которые уменьшаются в ряду Ag, Cu, Au, Al, W, Fe.

В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (Tкип > 1000С) и легкоплавкие (Tкип < 1000С). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.

Физические свойства металлов IА группы

Металлы, расположенные в IA группе, называют щелочными. Все щелочные металлы легкие (обладают небольшой плотностью), очень мягкие (за исключением Li легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу), имеют низкие температуры кипения и плавления (с ростом заряда ядра атома щелочного металла происходит понижение температуры плавления).

В свободном состоянии Li, Na, K и Rb – серебристо-белые металлы, Cs – металл золотисто-желтого цвета.

Щелочные металлы хранят в запаянных ампулах под слоем керосина или вазелинового масла, поскольку они обладают высокой химической активностью.

Щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, что обусловлено наличием металлической связи и объемоцентрированной кристаллической решетки

Физические свойства металлов IIА группы

Металлы, расположенные в IIA группе, называют щелочноземельными. В свободном состоянии Be – металл серо-стального цвета, обладающий плотной гексагональной кристаллической решеткой, достаточно твердый и хрупкий. На воздухе Be покрывается оксидной пленкой, что придает ему матовый оттенок и снижает его химическую активность.

Магний в виде простого вещества представляет собой белый металл, который, также, как и Be, при нахождении на воздухе приобретает матовый оттенок за счет образующейся оксидной пленки. Mg мягче и пластичнее бериллия. Кристаллическая решетка Mg – гексагональная.

Ca, Ba и Sr в свободном виде – серебристо-белые металлы. При нахождении на воздухе мгновенно покрываются желтоватой пленкой, которая представляет собой продукты их взаимодействия с составными частями воздуха. Кальций – достаточно твердый металл, Ba и Sr – мягче.

Ca и Sr имею кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку, барий – кубическую объемоцентрированную кристаллическую решетку.

Все щелочноземельные металлы характеризуются наличием металлического типа химической связи, что обуславливает их высокую тепло- и электропроводность. Температуры кипения и плавления щелочноземельных металлов выше, чем щелочных металлов.

Физические свойства металлов IIIА группы

Металлы, находящиеся в IIIA группе – Al, Ga, In, Tl – в свободном виде представляют собой металлы серебристого цвета с характерным металлическим блеском, обладающие высокими значениями тепло- и электропроводности. За счет образования оксидной пленки при пребывании на воздухе Tl темнеет.

При переходе от Al к Tl, т.е. с ростом заряда ядра атома химического элемента, происходит уменьшение температур кипения и плавления простых веществ.

Физические свойства металлов IVА группы

Металлы, находящиеся в IVA группе – Ge, Sn, Pb. В свободном виде Ge представляет собой металл серебристо-белого цвета, Pb – металл сине-серого цвета. Для олова характерно явление аллотропии, так, различают белое и серое олово, различающиеся строением кристаллической решетки (тетрагональная у белого олова и кубическая у серого).

Физические свойства металлов IVВ группы

В эту группу входят Ti, Zr и Hf, которые в свободном состоянии и в виде слитков представляют собой металлы серебристо-белого цвета, характеризующиеся ковкостью и пластичностью, хотя присутствие примесей, даже незначительное резко изменяет их характеристики – твердые и хрупкие. Для этих металлов характерна гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка, низкие температуры плавления (тугоплавкие металлы) и кипения, а также невысокая электропроводность.

Физические свойства металлов VВ группы

Ванадий, ниобий и тантал – представители металлов VВ группы. В свободном виде V, Nb, Ta – металлs бледно-серого («стального») цвета. Для ванадия характерны: твердость, пластичность, высокая плотность, легкость, высокая температура плавления. Твердость, ковкость и тугоплавкость – основные характеристики Nb и Ta.

Физические свойства металлов VIВ группы

Для металлов VIB группы характерны высокая электропроводность и твердость, они являются парамагнетиками и в свободном виде представляют собой светло-серые металлы. При переходе от Cr к W, т.е. с увеличением заряда ядра атома химического элемента, значения температур плавления и кипения, а также плотности увеличиваются. Cr, Mо и W обладают объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой.

Физические свойства металлов VIIВ группы

Металлы, входящие в VIIВ группу – Mn, Tc и Re – в свободном виде – серебристо-белые металлы, для них, как и для металлов VIВ группы с увеличением заряда ядра атома химического элемента характерно увеличение значений температур плавления и кипения, а также плотности. Для технеция и рения характерна плотная гексагональная кристаллическая решетка. Tc – хрупкий металл, Re – более пластичен.

Для марганца характерно несколько модификаций, в зависимости от структуры кристаллической решетки: сложная кубическая – α-марганец, примитивная кубическая – β- марганец, гранецетрированная кубическая – γ- марганец, объемно-центрированная кубическая – δ- марганец.

Физические свойства металлов VIIIВ группы

Металлы, входящие в состав VIII группы – Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt – условно разделяют на 2 подгруппы: элементы подгруппы железа (Fe, Co, Ni) и элементы подгруппы платины (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt).

Железо – металл серебристо-белого цвета, кобальт и никель – металлы серовато-белого цвета. Для железа характерны 4 модификации, для кобальта – две, для никеля – одна, в зависимости от структуры кристаллической решетки и температуры, до которой нагревают эти металлы.

Выделяют α- (объемно-центрированная кристаллическая решетка, характерны ферромагнитные свойства, T<910C), β- (объемно-центрированная кристаллическая решетка, характерны парамагнитные свойства, T=769C), γ- (кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка, T=769-910 C), и δ- железо (кубическая объемно-центрированная кристаллическая решетка, T=1400C). Для железа характерны, ковкость, пластичность и тугоплавкость.

Различают α- (гексагональная кристаллическая решетка, T<427C) и β-модификации кобальта (кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка T>427C). Для кобальта характерны, ковкость и тягучесть.

Для никеля характерна кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка. В отличие от железа и кобальта, магнитные свойства никеля значительно ниже.

Элементы подгруппы платины, в зависимости от значений их плотности, разделяют на легкие (Ru, Rh, Pd) и тяжелые (Os, Ir, Pt), для них характерны серовато-белый цвет, тугоплавкость, твердость, хрупкость и высокая плотность.

Технологические свойства металлов и сплавов 

• Жидкотекучесть (литейность) — способность материала в расплавленном состоянии заполнять литейную форму, без оставления пустот.
• Свариваемость — способность выполнять неразъемные соединения деталей под действием различных видов сварки (газовая, электрическая, давлением).
• Ковкость (деформируемость) — возможность менять форму изделия в горячем состоянии или при нормальной температуре под воздействием давления.
• Прокаливаемость — способность улучшения различных свойств металла путем закалки на различную глубину.
• Возможность выполнения обработки металла при помощи режущего оборудования показывает возможность выполнения токарных и фрезерных операций.

Все эти технологические свойства металлов и сплавов в комплексе и определяют дальнейшую сферу применения