Дефекти кристалічної будови металів.

Описана вище кри­сталічна будова металів є ідеальною. Насправді ж вона має багато дефектів — точкових, лінійних і поверхневих.

Точкові дефекти (рис. 2, а) характеризуються малими розмірами в усіх трьох вимірах. До таких дефектів належать вакансії 1 — вільні вузли в кристалічній ґратці, зміщені в простір між вузлами атоми 2 і атоми 3 домішок.

Лінійні дефекти відзначаються малими розмірами в двох вимірах І значним—у третьому. Такі дефекти називають дислокаціями. На рис. 2, б подано так звану крайову дис­локацію 4, яка являє собою край «зайвої» кристалографічної півплощини. При іншому характері зміщення атомів може утво­ритися складніша дислокація—гвинтова.

Поверхневі дефекти характеризуються малим роз­міром тільки в одному напрямі. Вони утворюються, наприклад, по межах зерен металу.

Наявність дефектів у будові ґратки веде до значної зміни властивостей металу. Відомо, наприклад, що мала міцність ме­талів зумовлюється, головним чином, легкою рухливістю дисло­кацій. Звідси випливає, що підвищення міцності металів можна досягти або ліквідацією дислокацій, або підвищенням опору їх переміщенню.

Останнім часом були виготовлені практично без дислокаційні зразки металів у вигляді ниткоподібних кристалів — «вусів» довжиною до 10 мм І діаметром 2—10 мкм майже теоретичної міцності: залізних—13000 Мн/м² (1300 кГ/мм²); мідних—близько 8000 Мн/м² (800 кГ/мм²)', цинкових — 2250 Мн/м² (225 кГ/мм²). Міцність цих самих металів, добутих у звичай­них умовах, становить відповідно 300; 250 і 180 Мн/м² (30; 25 і 18 кГ/мм²).

Взаємодія дислокацій між собою або з іншими дефектами кристалічної будови утруднює їх переміщення і тим самим зміцнює метал. Тому при певній кількості дефекти вже не ослабляють метал, а навпаки — утруднюють деформацію, під­вищують його міцність. Це відбувається, наприклад, при об­робці металів тиском, куванням, коли кількість дефектів у них зростає з 10⁴-10⁶ до 10¹⁰-10¹² см^-2

Кристалізація металів і будова виливка

Кристалізацією називається процес переходу металу з рідкого в твердий стан, коли в металі формується кристалічна граткаґ. При цьому метал переходить у термодинамічне стійкий стан з меншим запасом вільної енергії¹ F. При температурі Т_пл(рис. 3) вільна енергія металу в твердому f_tb і рідкому F_p станах однакова. Нижче цієї температури менший запас вільної енергії має твердий метал, тому тут він стійкіший від рідкого; при температурі, вищій за Т_пл, — навпаки. Отже, про­цес кристалізації може розвинутись тільки тоді, коли є різниця вільних енергій ΔF = F_p - F_тв > 0, тобто при переохолодженні металу до нижчої, ніж рівноважна, температури T_к.

Різниця між температурою T_пл і T_к при якій відбувається процес кристалізації, називається ступенем переохолодження ΔT. Із збільшенням його різниця вільних енергій ΔF, тобто ру­шійна сила кристалізації, підвищується (рис. 3). Ступінь переохолодження металів зростає із збільшенням швидкості їх охолодження. Кристалізація в такому разі відбувається при температурах, значно нижчих за рівноважну T_пл.

* Вільна енергія—це складова повної енергії речовини, яка оборотно змінює свою величину при зміні тем­ператури, поліморфних перетворен­нях, плавленні і т. п.

Рис. 3. Залежність вільної енергії рідкого Fp і твердого Fтв металу від температури.	Рис. 4. Схема росту дендрита і утво­рення зерен при кристалізації металу.

У 1878 p. Д. Κ. Чернов уста­новив, що процес кристалізації металів починається з форму­вання центрів (зародків) кри­сталізації. Саме з них ростуть потім первинні, або головні, осі наступних кристалів. Слідом за головними і перпендикулярно до них ростуть осі другого порядку, а на них — осі вищих порядків (рис. 4, α). Такі первинні деревоподібні кристали дістали назву дендритів (від грецького δενορον —дерево). Дальший ріст ден­дритів і формування повнотілих кристалів відбувається за раху­нок рідкого металу, що заповнює міжосьовий об'єм. Зростаючи, кристали ніби просуваються назустріч один одному, у певний момент стикаються між собою, перешкоджаючи росту кожного, внаслідок чого набирають випадкової зовнішньої форми (рис. 4, б). Такі кристали називають зернами.

Величина і кількість зерен на кінець кристалізації залежить від швидкостей зародження і росту кристалів. Під швидкістю зародження розуміють кількість кристалів, які сформувалися в одиниці об'єму за одиницю часу, а під швидкістю росту— швидкість збільшення лінійних розмірів зростаючого кристала.

Швидкості зародження і росту кристала залежать від сту­пеня переохолодження рідкого металу ΔТ. При невеликому сту­пені ΔТ₁ (рис. 5) зароджується мало кристалів, ростуть вони повільно і на кінець твердіння стають дуже великими. Із збіль­шенням ступеня переохолодження до ΔТ₂ і ΔТ₃ кількість кри­сталів, що зароджуються за одиницю часу, зростає більше, ніж швидкість їх росту, тому розмір зерна в затверділому металі зменшується.

Поряд із ступенем переохолодження на розмір зерна впливає також температура розливання металу, його хімічний склад і особливо наявність у ньому домішок, які звичайно стають дже­релами зародків кристалів. Ураховуючи це, для здрібнення зерна часто в розплавлений метал вводять невелику кількість спеціальних речовин. Вони практично не змінюють хімічного складу металу, проте при кристалізації збіль­шують швидкість зародження кристалів і тим самим створюють умови для поліпшення меха­нічних властивостей металу. Такі речовини на­зивають модифікаторами, а їх використання для здрібнення зерна — модифікуванням. Мо­дифікаторами є метали А1, Тi, Zr, V та ін. або їх сполуки — карбіди, нітриди, оксиди.

Рис. 5. Залежність швидкостей зародження (ш. з.) і росту (ш. р.) кристалів від ступеня переохолод­ження.	Рис. 6. Схема бу­дови металевого виливка.

Будова металевого виливка. Розглянута схема кристалізації дає змогу пояснити струк­турну неоднорідність металевого виливка. Зага­лом його структуру можна поділити на три зони (рис. 6).

Зовнішня зона 1 виливка складається з дріб­них неорієнтованих зерен, що формуються в початковий момент твердіння, коли метал, стикаючись з холодними стінками виливниці, дуже переохолоджу­ється в тонкому шарі внаслідок великої швидкості охолодження.

Коли сформується зовнішня зона, умови твердіння металу змінюються: швидкість охолодження зменшується, а відведення тепла стає напрямленим (перпендикулярним до стінок форми), тому тут кристали набирають стовпчастого вигляду. Цю зону 2 виливка називають зоною стовпчастих кристалів.

Зона 3 виливка —це зона рівноважних кристалів. Формується вона в умовах рівномірного охолодження рідкого металу. Тут центри кристалізації зароджуються вільно і ростуть без певного напряму, як показано на рис. 4.

У процесі кристалізації об'єм рідкого металу зменшується, тому в виливку утворюється усадочна раковина 4.

Основні властивості металів

Метали характеризуються фізико-хімічними, механічними і технологічними властивостями.

До фізичних властивостей належать густина, плавкість, теплове розширення, тепло- і електропровідність, магнітність та ін.

Хімічні властивості характеризують здатність металів чи­нити опір окисленню, розчинятися в хімічно активних середови­щах (кислотах, лугах), вступати у взаємодію з іншими елемен­тами.

До механічних властивостей належать міцність, плас­тичність, твердість, ударна в'язкість.

Міцністю називають здатність металу чинити опір дії зовнішніх руйнівних сил. Залежно від характеру цих сил роз­різняють міцність при розтяганні, згинанні, стисканні, скручу­ванні.

Найбільше поширення дістали випробування металів на розтяг.

Границею міцності при розтяганні σ_в називають умовне на­пруження, яке дорівнює відношенню найбільшого навантажен­ня, що передувало зруйнуванню стандартного зразка, до почат­кової площі його перерізу.

Поряд з границею міцності при випробуванні на розтяг ви­значають і інші характеристики опору металу деформації, зокрема його пластичність.

Пластичність металу характеризується відносним здов­женням о, яке обчислюють за формулою:

де l₀—початкова довжина зразка,мм; l₁ —довжина зразка після розриву, мм.

Твердістю називають здатність металу чинити опір про­никненню в нього іншого, твердішого тіла.

Для визначення твердості металів найширше застосовують методи Брінелля і Роквелла.

За методом Брінелля (ГОСТ 9012—59) твердість визначають на спеціальному приладі, вдавлюючи у випробуваний зразок стальну кульку діаметром 2,5; 5 або 10 мм під навантаженням до 30 кн (3000 /кГ). У результаті на поверхні зразка утворюєть­ся відбиток у формі сегмента. Число твердості за Брінеллем позначають НВ і дістають, поділяючи навантаження на величи­ну площі поверхні відбитка.

Способом Брінелля користуються для визначення твердості металів до НВ 450, бо при вдавлюванні в твердіші матеріали стальна кулька може деформуватися.

За методом Роквелла твердість визначають вдавлюванням у випробуваний зразок алмазного конуса з кутом при вершині 120° або стальної кульки діаметром 1,58 мм. Алмазний конус застосовують для випробування дуже твердих матеріалів, а стальну кульку — для сплавів кольорових металів або незагартованих сталей.

Твердість за Роквеллом (ГОСТ 9013—59) — умовна величи­на; її відлічують безпосередньо по шкалах приладу і познача­ють буквами HR з доданням назви шкали, яка визначає умови випробування: HRA — алмазний конус, навантаження 600 н (60 кГ), HRB—стальна кулька, навантаження 1000 н (100 кГ), HRC — алмазний конус, навантаження 1500 н (150 кГ).

Оскільки абсолютні величини чисел твердості за Брінеллем і Роквеллом не збігаються, то, порівнюючи твердості металів, визначені різними методами, користуються спеціальними пере­відними таблицями. Наприклад, визначена за Роквеллом твер­дість металу HRC 20 рівнозначна HRA 61, HRB 97 або НВ 217.

Ударна в'язкість а_н характеризує здатність металу чинити опір динамічному (ударному) навантаженню. Ударною в'язкістю називають роботу, витрачену при динамічному зруй­нуванні надрізаного зразка, віднесену до площі його попереч­ного перерізу в місці надрізу.

Величина ударної в'язкості в металів різна: наприклад, у цинку вона становить близько 0,06 Мдж/м² (0,6 кГ · м/см²), у міді—0,5 Мдж/м² (5 кГ'м/см²), у заліза—1,8 Мдж/м² (18 кГ ' м/см²).

Технологічні властивості характеризують можливість проводити з металом ті чи інші технологічні операції або за­стосовувати його в тих чи інших умовах. До технологічних вла­стивостей належать рідкотекучість, ковкість, зварюваність, об­роблюваність різанням і деякі інші. Ці властивості буде розгля­нуто нижче.

Навчальне питання 3. Поняття про будову металів та сплавів.