Глава 3 СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Назад: глава 2 ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
3.1 Основы кристаллического строения
Известно,
что все металлы и их сплавы являются кристаллическими веществами. На рис. 3.1
приведена элементарная схема кристаллической решетки металла с указанием ее
основных параметров. Известно 14 типов кристаллических решеток металлов в
зависимости от возможных вариаций соотношения параметров a, b, c, 
, 
, 
и с учетом расположения
атомов (ионов) не только в узлах решеток, но и в центрах элементарных ячеек или
в центрах граней. [3]
Рис. 3.1 – Схема
кристаллической решетки металла:
a, b, c – параметры
решетки; , , – углы между ними
Большинство
металлов, используемых в технике, являются сплавами и имеют довольно простую
элементарную ячейку одного из типов, показанных на рис. 3.2 – кубическая
объемно-центрированная (о.ц.к.), кубическая гранецентрированная (г.ц.к.) и
гексагональная плотно упакованная (г.п.у.). Кристаллическая решетка металлов и
некоторых металлоидов может иметь различные модификации, являющиеся устойчивыми
в определенной области температур. Эти модификации обозначаются буквами
греческого алфавита. Например, Fe, Fe, Ti, Ti, и т.д. Превращение одной модификации решетки в другую
называется полиморфным, а сама возможность существования металла в разных
структурных формах называется полиморфизмом. Явление полиморфизма широко
используется в технике для изменения свойств сплавов, например, с помощью
термообработки.
а б в
Рис. 3.2 –
Элементарные ячейки (плоскости
скольжения затенены):
а –
гранецентрированная кубическая; б – объемно-центрированная кубическая;
в – гексагональная
плотноупакованная
Параметры
решетки определяют свойства металла. Металлы с г.ц.к. решеткой обладают высокой
пластичностью и немагнитностью (Al, Cu, Ni, Fe), а со сложной (например, алмазной) решеткой (Si, Cr)
обладают полупроводниковыми свойствами.
Различная
плотность распределения атомов по разным направлениям и плоскостям скольжения
решетки приводит к неодинаковости свойств кристаллов по этим направлениям. Это
явление называется анизотропией. В технических металлах, являющихся
поликристаллическими материалами с беспорядочно ориентированными в пространстве
кристаллами, анизотропия не имеет ярко выраженного характера, поэтому их
условно считают изотропными. Отметим, что направленный отвод тепла от металла
сварного шва вызывает порой ощутимую анизотропию свойств.
Всякий
металлический сплав, в том числе и сталь, представляет собой систему, состоящую
из основного и легирующего компонентов. Однородная часть системы, имеющая
одинаковый состав и агрегатное состояние и отделенная от остальных частей
системы поверхностью раздела, переход через которую скачкообразно изменяет
свойства компонента, называют фазой. Всякая система может состоять из
однородных (гомогенных) и неоднородных (гетерогенных) фаз.
Структура – это взаимное
расположение фаз в сплаве, их форма и размеры (макро-, микро-).
Компоненты
в сплавах при изменении температуры могут образовывать следующие фазы: жидкие
растворы, твердые чистые металлы, твердые растворы и химические соединения.
В
твердом состоянии компоненты сплава могут образовывать:
твердые
растворы;
химические
соединения;
механические
смеси, т.е. двухфазную (многофазную) структуру, состоящую из двух или нескольких
чистых металлов.
Различают
два основных вида твердых растворов: растворы замещения и внедрения.
Твердые растворы замещения образуются, когда
оба компонента имеют однотипную с близкими значениями параметров
кристаллическую решетку и величину атомных радиусов. В этом случае растворимый
компонент размещается в узлах решетки растворителя. Если атомные радиусы различаются
не более чем на 14...15 %, то образуются неограниченные растворы, если более –
ограниченные. Примером неограниченного раствора может служить твердый раствор
хрома в железе.
В твердых растворах внедрения атомы растворенных элементов
находятся, в междоузлиях. Такие растворы образуются, когда атомы растворенного
элемента весьма малы по сравнению с атомами растворителя. Примером может
служить раствор углерода в железе, азота в никеле, магния в алюминии и т.д.
Когда атомы растворителя и растворенного элемента занимают строго определенные
места, то раствор называется
упорядоченным (Cu-Al, Fe-Al). Из-за различия размеров атомов в твердых
растворах происходит искажение формы кристаллической решетки, (рис. 3.3). Эти
искажения являются причиной локального изменения концентрации элементов, ограничения
растворимости и свойств сплавов.
а б в
Рис. 3.3 –
Искажения кристаллической решетки в твердых растворах:
а, б – замещения, в – внедрения
Свойства твердых растворов находятся в криволинейной
зависимости от концентрации растворенного (легирующего) элемента, причем кривая
«свойства - концентрация легирующего» - всегда имеет максимум или минимум. [3]
Химическое соединение
– это
фаза, имеющая кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов,
которая отлична от решеток элементов, образующих это соединение. В этом причина
того, что его свойства значительно отличаются от свойств составляющих его
компонентов. Химические соединения имеют постоянную температуру плавления и,
как правило, обладают большой твердостью и хрупкостью. Примерами химических
соединений могут служить цементит Fe3C, присутствующий в сталях и
чугунах, интерметаллид CuAl2, присутствующий в дуралюминах, W2C
и т.д.
Механическая смесь
– это
неоднородная (гетерофазная) структура сплава, образующаяся из нескольких фаз,
когда при кристаллизации компоненты фазы не способны к взаимному растворению в
твердом состоянии и не образуют химические соединения. Смеси могут состоять из
кристаллов (зерен) чистых компонентов, насыщенных твердых растворов или
химических соединений.