Кристаллическое строение металлов и сплавов. Кристаллизация сплавов.

В современных условиях развития общества одним из самых значимых факторов технического прогресса в машинострое­нии является совершенствование технологии производства. Коренное преобразование производства возможно в результате создания более совершенных средств труда, разработки принципиально новых технологий.

Развитие и совершенствование любого производства в настоящее время связано с его автоматизацией, созданием робототехнических комплексов, широким использованием вычислительной техники, применением станков с числовым программным управлением. Все это составляет базу, на которой создаются автоматизированные системы управления, становятся возможными оптимизация техноло­гических процессов и режимов обработки, создание гибких автомати­зированных комплексов.

Важным направлением научно-технического прогресса является также создание и широкое использование новых конструкционных материалов. В производстве все шире используют сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, композиционные, порошковые, поли­мерные и другие материалы, позволяющие резко повысить техниче­ский уровень и надежность оборудования. Обработка этих материа­лов связана с решением серьезных технологических вопросов.

Создавая конструкции машин и приборов, обеспечивая на прак­тике их заданные характеристики и надежность работы с учетом экономических показателей, инженер должен уверенно владеть методами изготовления деталей машин и их сборки. Для этого он должен обладать глубокими технологическими знаниями.

Предметом курса «Технология конструкционных материалов» являются современные рациональные и распространенные в промыш­ленности прогрессивные методы формообразования заготовок и деталей машин. Содержание учебника представлено на принципе единства основных, фундаментальных методов обработки конструк­ционных материалов: литья, обработки давлением, сварки и обра­ботки резанием. Эти методы в современной технологии конструкцион­ных материалов характеризуются многообразием традиционных и новых технологических процессов, возникающих на их слиянии и взаимопроникновении.

Описание технологических процессов основано на их физической сущности и предваряется сведениями о строении и свойствах конст­рукционных материалов. Комплекс этих знаний обеспечивает уни­версальный подход к изучению технологии.

Технически чистые металлы характеризуются низкими прочност­ными свойствами, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы. Сплавы на основе железа называют черными, к ним относят стали и чугуны; на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющие малую плотность — легкими цветными;

на основе меди, свинца, олова и др.—тяжелыми цветными;

на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута и других метал­лов — легкоплавкими цветными; на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и других металлов — тугоплавкими цветными.

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки. Расстояния между атомами называют параметрами решеток и измеряют в нанометрах. С повышением температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают различную кристалличе­скую решетку, что всегда приводит к изменению их физико-химиче­ских свойств.

Существование одного и того же металла в нескольких кристалли­ческих формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток при критических температу­рах называется полиморфными превращениями. Полиморфные мо­дификации обозначаются греческими буквами, которые в виде индекса добавляют к символу элемента.

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ СПЛАВОВ

Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух элементов или более. Элементами сплава могут быть металлы и неметаллы. Эти элементы называются компонен­тами сплава. В сплаве кроме основных компонентов могут содер­жаться и примеси. Примеси бывают полезные, улучшающие свой­ства сплава, и вредные, ухудшающие его свойства. Примеси бывают случайные, попадающие в сплав при его приготовлении, и специ­альные, которые вводят для придания ему требуемых свойств.

Кристаллическое строение сплава более сложное, чем чистого металла, и зависит от взаимодействия его компонентов при кристал­лизации. Компоненты в твердом сплаве могут образовывать твердый раствор, химическое соединение и механическую смесь.

Твердые растворы — компоненты сплава взаимно растворяются один в другом. В твердом растворе один из входящих в состав сплава компонентов сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второй компонент в виде отдельных атомов распределяется внутри кристаллической решетки.

Химическое соединение — компоненты сплава вступают в химиче­ское взаимодействие, при этом образуется новая кристаллическа решетка. Компоненты имеют определенное соотношение по массе.

Механическая смесь - компоненты сплава обладают полной вза­имной нерастворимостью и имеют различные кристаллические ре­шетки. При этих условиях сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих ее компонентов. Механическая смесь имеет постоян­ную температуру плавления. Механическая смесь, образовавшаяся одновременной кристаллизацией из расплава, называется эвтекти­кой; в процессе превращения в твердом состоянии — эвтектоидом.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СПЛАВОВ

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется первичной кристаллизацией,

Свойства сплавов зависят от образующейся в процессе кристалли­зации структуры. Под структурой понимают наблюдаемое кристалли­ческое строение сплава. Процесс кристаллизации начинается с об­разования кристаллических зародышей — центров кристаллизации. Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов: чем больше число обра­зующихся зародышей и скорость их роста, тем быстрее протекает процесс кристаллизации. Структура сплава зависит от формы, ориентировки кристаллических решеток в пространстве и скорости кристаллизации.

Центрами кристаллизации могут быть группы элементарных кристаллических решеток, неметаллические включения и тугоплав­кие примеси. Кристаллизация сплава обычно начинается от стенок формы (изложницы). С наибольшей скоростью кристаллы растут в направлении, противоположном отводу теплоты, т. е, перпендику­лярно к стенке формы.

Если при кристаллизации рост решеток не ограничивается, то получаются кристаллы неограниченного размера древовидной формы — дендриты. Так как процесс кристаллизации происходит из многих центров кристаллизации, то ветви дендритов при росте могут ограничивать друг друга и искажаться. Кристаллы неправиль­ной формы называются зернами, или кристаллитами. Комплекс зе­рен — это поликристаллическое тело.

Зерна отличаются различной ориентацией кристаллических ре­шеток; размер зерен составляет 1—10⁴ мкм. Зерна повернуты от­носительно друг друга на десятки градусов. На границах зерен име­ется поврежденный переходный слой толщиной порядка нескольких атомных слоев, свойства и химический состав которого могут отли­чаться от свойств тела зерна.

Кристаллические решетки зерна могут иметь различные струк­турные несовершенства: точечные, линейные и поверхностные, ко­торые возникают в результате образования вакансий — мест не занятых атомами; дислоцированных атомов, вышедших из узла ре­шетки; дислокации, возникающих при появлении в кристалле неза­конченных атомных плоскостей; примесных атомов, внедренных в кристаллическую решетку.

ЛЕКЦИЯ 2