Тема 2.1. Внутреннее строение и кристаллизация металлов

 В технике наиболее распространены металлы и сплавы физические и химические свойства которых определяются строением их атомов. Типовая модель атома представляет собой положительно заряженное ядро окруженное облаком отрицательно заряженных электронов. Электроны расположены на внешних оболочках или орбитах слабее связаны с ядром, чем те, что на внутреннем и во многом определяют свойства металлов. Они легко отделяются от атома, чем и обусловлена высокая электро и теплопроводность металла. Атомы с недостающими электронами превращаются в положительно заряженные ионы, благодаря чему являются сильными восстановителями. За счет того, что электроны равномерно распределены между ионами металл имеет высокую пластичность. Атомы металла расположены в определенной последовательности образуют правильные пространственные фигуры – кристаллические решетки.

В отличае от металла, материал которых не имеет кристаллической решетки называется аморфными.

Наибольшее распространение получили кристаллические решетки:

- объемно центрированный куб (хром, вольфрам, малибден),

- гранецентрированный куб (алюминий, медь, никель, золото, серебро), (железо при тем-ре свыше 910 градусов) До 910 градусов – одну решетку, свыше 910 – другую решетку.

- гексоганальная решетка (магний, цинк, титан)

Реальные металлы применяемые при изготовлении деталей имеют нарушения вышеописанных решеток, которые называются дефектами. В реальных условиях дефекты кристаллических решеток во многом определяются механическими свойствами металлов.

Деффекты классифицируются по геометрической форме и размерам на следующие группы:

- точечные дефекты (несовершенство) – это вак5ансии, т.е. узлы решетки в которых атомы отсутствуют, либо дополнительные атомы внедренные в межузловое пространство.

- линейные дифекты(дислокация – это смещение одной части кристалла по отношению к другой).

Объемные дефекты – это трехмерное нарушение структуры макроразмеров (поры, раковины, трещины),

Поверхностные дефекты, образуются на границах зерен металла. В процессе кристаллизации, как правило это различные не металлические примеси аксидные клепки и др.

Кристаллизация металлов и сплавов: образование кристаллической решетки происходит в процессе охлаждения металла и переходе его из жидкого состояния в твердое.

Это явление происходит при температуре кристаллизации или критической точки.

Температура кристаллизации зависит от частоты металла, скорости охлаждения, давления и др. факторов.

Процесс кристаллизации металла, состоит из двух:

· Зарождение центров кристаллизацией (зародышей)

· Рост кристалла от центра кристаллизации с образованием зерен.

От размера зерна в значительной степени зависит свойство металла, чем меньше зерно, тем лучше металл.

С целью получения мелкого зерна при кристаллизации до 3% от массы жидкого металла вводят тугоплавкие (измельченные) вещества, которые создают большое число дополнительных центров кристаллизации.

Такие металлы называются модифицированными, а тугоплавкие вещества – модификаторами.

При формировании слитка процесс кристаллизации начинается у стенок формы и движется в направлении обратном отводу тепла.

Слиток не имеет однородной структуры у поверхности мелкие кристаллы, а затем древовидные кристаллы.

В середине где тепло отводится образуется зона неориентированных кристаллов.

При затвердевании слитка имеет место сокращение его объема.

Для изучения состава структуры и свойства металлов применяются следующие методы:

*Химический и спектральный анализ. Позволяет определить химический состав.

*макроскопический анализ – исследование металла невооруженным глазом или с помощью лупы. Данным способом можно определить способ производства, вид термообработки, размер зерна, причину излома, наличие пор, раковин, трещин.

*микроскапический анализ – проводят с помощью микроскопа с увеличением от 50 до 2000 раз. Для исследования готовят специальные образцы, поверхность которых шлифуют, полируют и протравливают с целью увидеть границы между зернами.

*рентгеновский анализ – этот метод позволяет контролировать качество сворных швов.

*магнитный анализ – основан на изменении магнитных свойств металла, связанных со структурой кристаллической решетки.

*ультрозвуковой анализ – проникновение в материал.

*термический анализ – заключается в определении тепловых эффектов, при изменениях структуры.

* Дилатометрический анализ – основан на изменении объема образца в результате фазовых превращений.

* метод электросопротивления – в зависимости от материала увеличивается или уменьшается сопротивление.