Кристаллические решетки

Строение Материалов.

Все материалы в твердом состоянии могут быть:

1 Аморфные материалы - это материалы, в которых атомы располагаются беспорядочно, хаотично.

2 Кристаллические - это материалы, в которых атомы располагаются строго упорядочено в геометрически правильном положении.

Все материалы могут быть:

1 Черными

1.1 Стали. Сталью называется сплав железа с углеродом. Содержание углерода в котором до 2.14%.

1.2 Чугуны. Чугуном называется сплав железа с углеродом. Содержание углерода в котором от 2.14% до 6.67%

2. Цветные. Это все металлы кроме черных.

Основные свойства металлов.

1 Твердость– это способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела

2 Прочность - это способность материала сопротивляться разрушению

3 Вязкость - это способность материала сопротивляться удару

4 Пластичность это способность материала сопротивляться деформации

Деформация - это способность материала менять свою форму и размеры под действием нагрузки.

Пластическая деформация – после снятия нагрузки материал не возвращается в первоначальное положение

Упругая деформация – после снятия нагрузки материал возвращается в первоначальное положение

Кристаллические решетки

ОЦК-объемно-центрированная кубическая кристаллическая решетка

(Fe-8шт,С-1шт)

ГЦK-гранецентрированная кубическая кристалличе ская решетка

(Fe-8шт, С-6шт)

ГПУ- гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка

Аллотропия или полиморфизм

Анизотропией или полиморфизмом называется способность металла при разных температурах иметь разные кристаллические решетки и различные свойства.

Так например чистое железо до 911* имеет решетку ОЦК (Альфа-железо),свыше 911* имеет решетку ГЦК (Гамма-железо).

В природе ничего не бывает идеального обязательно существуют какие то дефекты или несовершенства, так не бывает идеально кристаллической решетки.

Несовершенства(дефекты) кристаллической решетки.

1 Точечное несовершенство - в природе нет ничего не подвижного: атомы в узлах кристаллической решетки колеблются возле точек равновесия. При получении энергии извне амплитуда колебаний увеличивается, становится выше средней. И атом выскакивает из узлов решетки, образуя при этом свободное место, дырку вакансию.

2 Линейное несовершенство – образование дислокации.

Дислокация сдвиг одной части кристалла относительно другой.

Различают два вида дислокации:

1 Линейная краевая дислокация – смещение по плоскости

2 Винтовая дислокация – смещение по винту

3 Поверхностное несовершенство - это наличие

3.1 Вакансий

3.2 Дислокаций

3.3 Кроме того, зерна разорентированы и находятся под некоторым углом друг к другу.

Диффузия

Диффузия- движение, перемещение или перемещения атомов на расстояние превышающих среднее межатомное расстояние.

Различают следующие механизмы диффузии:

1. Вакансионный (дырочный) механизм диффузии. Атом со стороны занимает свободное место в узле решетки (для атомов, имеющих большой атомный радиус)

2. Межузельный механизм диффузии. Перемещение атомов между узлами решетки (для атомов, с маленьким радиусом).

3. Обменный механизм диффузии. Два соседних атома меняются местами друг с другом.

4. Циклический механизм диффузии. Группа атомов меняется местами друг с другом.

Анизотропия.

1.Изотропия (одинаково)

Свойства материала в разном направлении одинаковы в связи с тем, что плотность распределения атомов в разных направлениях одинаково ( для аморфных тел)

2. Анизотропия ( не одинаково)

Свойства материала в разных направлениях различны ( монокристаллы) В связи с тем, что плотность распределения атомов в разных направлениях различна.

3. Квазиизотропия ( мнимо одинаково)

Свойство материалов в разных направлениях квазиизотропны (псевдо,мнимо, как бы одинаковы),т.к кристаллов много и плотность атомов в разных направлениях усредняется свойство атомов в разных направлениях, и становится квазиизотропны(металлы)

Кристаллизация металлов.

1. Для кристаллизации необходимы следующие условия: температура твердого тела должна быть меньше жидкого.

Tтв.т˂Tж.т

2.) Свободная энергия твердого тела должна быть меньше свободной энергии жидкого тела, т.к. все процессы идут в сторону уменьшения свободных энергий.

Fтв.т. < Fж.т.

Парадокс металлов

Чем мельче структура ( более мелкие зерна), тем больше твердость и прочность.

Процессы, происходящие при кристаллизации:

1.) Образование зародышей или центров кристаллизации.

2.) Их рост

Модифицирование

Модифицирование - это искусственное регулирование (уменьшение) размера зерен.

Для уменьшения размера зерен в металл еще при выплавке добавляются цветные металлы (титан и алюминий) в тысячных долях процента. Они увеличивают число зародышей или центров кристаллизации и тем самым способствуют уменьшению размера зерен.

Такие вещества называются модификаторами.

Цветные металлы, которые добавляют в стали в тысячных долях процента и создают дополнительные центры кристаллизации, тем самым уменьшают размер зерен называются модификаторами.

Цветные металлы, которые добавляют в стали в количестве 1% и более называются легирующими элементами и они меняют свойства металла. Например: W( вольфрам) - делает сталь жаропрочной и повышает твердость и прочность –Р18; Cr (Хром) и Ni( никель) делает сталь коррозионно- стойкой - Х18Н10Т.

Факторы, влияющие на размер зерна

1)Температура. (Чем больше температура, тем больше размер зерна.)

2)Число центров кристаллизации. (Чем больше центров кристаллизации, тем меньше размер зерен).

Контрольные вопросы для повторения и закрепления - «Строение материалов»

1. Чем отличаются аморфные материалы от кристаллических материалов. Примеры аморфных и кристаллических материалов.

2. Какие Вы знаете черные металлы. Определение.

3. Чем отличаются стали от чугунов.

4. Что общего в сталях и чугунах.

5. Зачем нужен углерод в черных металлах.

6. Какие Вы знаете цветные металлы. Классификация цветных металлов.

7. Основные кристаллические решетки и их характеристика. Где располагаются атомы углерода и железа в ОЦК и ГЦК; показать на решетках. Что общего в ОЦК и ГЦК и чем отличаются эти решетки.

8. Основные механические свойства. Определение

8. Аллотропия или полиморфизм. Определение. Примеры.

9. Основные несовершенства кристаллических решеток. Их характеристика.

10. Дислокация. Определение. Виды дислокаций. Влияние дислокаций на свойства.

11. Диффузия. Определение. Различные механизмы диффузии. Показать на кристаллических решетках.

Контрольные вопросы для повторения и закрепления - «Кристаллизация металлов»»

1. Условия, необходимые для кристаллизации.

2. Какой процесс пойдет, если свободная энергия жидкого тела будет меньше свободной энергии твердого тела?

3. Какой процесс пойдет, если свободная энергия твердого тела будет равна свободной энергии жидкого тела?

4. Какой процесс пойдет, если свободная энергия твердого тела будет меньше свободной энергии жидкого тела?

5. Процессы, происходящие при кристаллизации.

6. Форма кристаллов и строение слитков.

7. Парадокс металлов.

8. Модифицирование. Определение. Модификаторы.

9. Зачем нужны модификаторы?

10. Факторы, влияющие на размер зерна.

11. Изотропия.

12. Анизотропия.

13. Квазиизотропия.

14. Влияние температуры на рост зерна аустенита НКЗ.

15. Влияние температуры на рост зерна аустенита НМЗ.

16. Чем отличается НКЗ от НМЗ?

17. Почему у НМЗ мелкие зерна?

29. Почему у НМЗ до 10000С практически не происходит роста зерен?

30. Почему свыше 10000С происходит резкий рост зерна?

31. Какие Вы знаете оксиды, карбиды и нитриды?

32. Почему химические соединения мешают росту зерна?

33. Почему образуются химические соединения?

34. Двойная роль модификаторов.

35. Факторы, влияющие на размер зерна.

36. От каких факторов зависит форма кристаллов?

37. Что называется ликвацией?

38. Что называется гомогенизацией?

39. Почему и где образуется усадочная раковина?

40. Строение дендрита. Основные его зоны.

Влияние температуры на рост зерна аустенита

Рис.1.8. Влияние температуры на рост зерна.

График показывает влияние температуры на рост зерна

На этом графике первая прямая температура показывает рост зерна у НКЗ.

Вторая кривая показывает рост зерна у НМЗ.

Из графика мы видим, что рост зерна у наследственно крупнозернистой стали (НКЗ) прямо пропорционален температуре, т.е. чем больше температура, тем больше рост зерна у наследственно крупнозернистой стали (НКЗ). Рост зерна у наследственно мелкозернистой стали (НМЗ) до 10000с практически не происходит. Это связанно с тем, что модификаторы алюминий и титан образуют с газами, растворенными в металле (O₂ , N , C) химические соединения : оксиды, нитриды, карбиды. Эти химические соединения осаждаются на границе зерен , и образуют квазизаборчик, который чисто механически , мешает зернам расти. Свыше 10000С химические соединения растворяются и уже ничто не сдерживает рост зерна и оно может быть даже больше, чем НКЗ.