СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
 
Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры с

увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от 10 до

2000 раз на оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных

микроскопах, атомной структуры – рентгенографическим анализом.

     Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением

атомов в узлах пространственной решетки.
                        

 Рис. 3. Элементарный кубический кристалл: а – объемно-центрированный; б –

                               гранецентрированный          

                   

Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга

на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для железа эти

расстояния 28,4 нм (α=Fe) и 36,3 нм (γ = Fe). Большинство металлов

имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельные

участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы – зерна.

Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру

металлов и их свойства.

Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1...2) на

наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой

электропроводностью.

Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток (рис. 3) двух видов:

а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем

шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями

(14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы

имеют гексагональную (шестигранную) решетку.

Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии,

т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной

температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения

сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре

аллотропические формы: α-Fe; β-Fe, γ-Fe, δ-Fe.

Практическое значение имеют α -Fe и γ -Fe, так как p-Fe и б-Fe

отличаются от a-Fe только величиной межатомного расстояния, а для β-Fe

характерно отсутствие магнитных свойств.

                                                

                

                  Рис. 4. Кривые охлаждения и нагревания железа 

               

Температура, при которой происходит переход металла из одного

аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих

температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа (рис. 4)

в виде участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят

с выделением теплоты при нагревании.

Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. При

нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической

величины, при которой происходят разрушение кристаллической решетки и переход

металлов из твердого в жидкое состояние. Процесс кристаллизации заключается в

росте кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших

зародышей. Рост кристаллических образований происходит в определенных

направлениях. Вначале образуются главные оси кристалла путем роста в трех

взаимно перпендикулярных направлениях, а затем от каждой из этих осей

образуются новые и возникает не полностью завершенный кристалл, называемый

дендритом. В дальнейшем все промежутки между осями дендрита заполняются

упорядоченно расположенными атомами.

В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают

неправильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами.

Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства

металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл.

Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела,

состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен

(поперечные размеры зерен – 0,001...0,1 мм). Поэтому в целом металлы и сплавы

можно считать условно изотропными телами.
Структура.

Сплавы обладают металлическими свойствами и состоят из двух элементов и

более. Элементы, входящие в состав сплавов, называют компонентами.

     Компоненты сплавов в процессе затвердевания и последующего охлаждения

могут образовывать химические соединения, твердые растворы на базе одного из

компонентов или нового химического соединения и механические смеси.

     Химические соединения, образующиеся на основании общих химических законов

(валентности, ионной связи), могут быть выражены химическими индексами. Обычно

химические соединения повышают твердость и хрупкость металлов и, как правило,

имеют кристаллическую решетку другого типа, чем у каждого из элементов в

отдельности.

     Твердые растворы – сплавы, у которых атомы растворимого элемента рассеяны

в кристаллической решетке растворителя; растворимый элемент может замещать

часть атомов основного металла или внедряться между ними, но без образования

молекул определенного состава. В железоуглеродистых сплавах Fe–С атомы углерода

внедряются в поры решетки Fe. В отличие от химических соединений состав твердых

растворов непостоянен и зависит от температуры и концентрации (проникания

одного элемента кристаллической решетки в другой). Кристаллическая решетка

твердого раствора сохраняет тип решетки одного из компонентов, который по этому

признаку считается растворителем.

     Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) – микроскопически малые, тесно

перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых

металлов, твердых растворов и химических соединений. Эвтектики образуются из

жидкого сплава при охлаждении и характеризуются самой низкой температурой

затвердевания смеси, хорошими литейными качествами и высокими механическими

свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого раствора. Эвтектические

и эвтектоидные смеси возникают при определенной концентрации отдельных

составляющих и определенной температуре. В сплавах, отличных по составу от

эвтектических, при затвердевании в первую очередь выпадает компонент,

избыточный по отношению к эвтектическому.

Изменения структуры и свойств сплавов с изменением концентрации и температуры

в наглядной форме представлены на диаграммах состояния сплавов. Эти диаграммы

не содержат фактора времени и соответствуют условию очень медленного нагрева

и охлаждения.

     Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 5).

Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются

следующие.

     Феррит – твердый раствор углерода в α -Fe. При температуре 723° С

предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует.

     Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение,

содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а

также самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые

растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при

термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.

     Аустенит – твердый раствор углерода в γ –Fe. Атомы углерода

внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в

зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре,

а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. Твердость

аустенита НВ 170...220.  

    

             Рис. 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:            

     а – диаграмма; I – жидкий сплав; II – жилкий сплав и кристаллы аустенита;

III – жидкий сплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI –

аустенит, цементит, ледебурит; VII – цементит и ледебурит; VIII – феррит и

аустенит; IX – феррит и перлит; X – цементит и перлит; XI – перлит, цементит;

ледебурит; XII – цементит, ледебурит; б – ориентировочные отношения

структурные составляющих в различных областях диаграммы.
     Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде

аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мn

способствуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Твердость

перлита НВ 160...260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной

(зернистой).

     Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при

1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при охлаждении

аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и

перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.

     Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из

разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.

На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси ординат

отложена температура, на оси абсцисс – содержание в сплавах углерода до 6,67 %

т.е. до такого количества, при котором образуется химическое соединение Fe

3C – цементит. Пунктирными линиями нанесена диаграмма состояния для

системы железо – графит, так как возможен распад цементита Fe3С.

Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а

железоцементитной, так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но

так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то

практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным

содержанием углерода.

Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т. е. тем

температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах.

Критические точки для стали впервые открыл русский ученый-металлург Д.К.

Чернов.

Линия ACD – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса),

линия AECF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса).

Только чистые металлы и эвтектика плавятся и затвердевают при постоянной

температуре. Затвердевание всех остальных сплавов происходит постепенно, причем

из жидкого сплава сначала выделяется избыточный по отношению к составу

эвтектики компонент. Область AESG на диаграмме соответствует аустениту.

Линия GS – начало выделения феррита, а линия SE – вторичного

цементита. Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и

выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры

не происходит.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы получают

следующие названия:

При  содержании  углерода              <0,83 %           – доэвтектоидные стали

»               »                   »                     0,83%

– эвтектоидные стали

»               »                   »                     0,83...2%         –

заэвтектоидные стали

»               »                   »                     2,0...4,3%        –

доэвтектические чугуны

»               »                   »                     4,3.. .6,67%     –

заэвтектические чугуны

С увеличением содержания углерода в железоуглеродистых сплавах меняется и

структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество

феррита. Чем больше углерода в сплавах, тем выше твердость, прочность, но

ниже их пластические свойства. Механические свойства сплавов зависят также от

формы и размера частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали

тем выше, чем тоньше и мельче частицы феррита и цементита.