Атомно-кристаллическое строение металлов. Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия. Полиморфизм.

Атомно-кристаллическое строение металлов. Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия. Полиморфизм.

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, те атомы расположены упорядоченно и образуют кристаллическую решетку. Различают 3 типа решеток: 1) простая кубическая (куб). Плотность упаковки 8*1/8=1; Координационное Число=6. 2) объемно – центрированная кубическая (оцк) (калий, натрий, литий). Куб, в котором атомы расп. по углам +1 в центре. Плотность 8*1/8+1=2; КЧ=8, коэффициент заполнености 68%. Пример: Fea; Feδ; Tiβ; Wo; Mo; Cr. 3) Кубическая гранецентрированная (гцк) (свинец, никель, золото, марганец). Куб, в котором атомы расп. по углам + по серединам граней. КЧ=12, плотность 8*1/8+6*1/2=4, коэф=74%. 4) Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (цинк), шесть боковых и верхняя и нижняя грани, на которых тоже атом.

Чем больше плотность упаковки, тем выше пластичность.

Свойство металла изменять кристаллическую решетку с изменением температур – полиморфизм (много форм). Полиморфные модификации обозначают α, β, и т д.

Анизотропия - зависимость физических свойств вещества от направления. Естественная А. — наиболее характерная особенность кристаллов. Именно потому, что скорости роста кристаллов в разных направлениях различны, кристаллы вырастают в виде правильных многогранников.

Квазиизотропия – почти одинаковые свойства в различных направлениях.

Строение реальных кристаллических материалов. Дефекты кристаллического строения.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях всегда состоят из большого числа кристаллов. Их называют зернами. В крист. решетках имеются дефекты.

I) Точечные: вакансии (отсут. атомов в узлах крист. решетки), межузельные (атомы, находящиеся вне узлов крист. реш.), примесные атомы (занимают в крист. реш. места осн. атомов или внедряются внутрь решетки)

II) Линейные: 1. Цепочки вакансий или межузельных атомов, 2. дислокации (линии,вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение плоскостей кристаллов) бывают краевые(предст. границу неполной атомной пл-ти) и винтовые (линия, вокруг которой атомные пл-ти изогнуты по винтовой пов-ти)

III) Поверхностные: 1. Границы зерен и блоков, 2. Дефекты упаковки (локальные изменения расположения атомных пл-й в кристалле)

IV) Объемные – трещины, поры

Теоретическая и реальная прочность. Пути повышения прочности металлов и сплавов.

Предположим сдвиг верхнего и нижнего слоя в таблице 3х5 до получения «лесницы». Tтеор=(a/b)*(G/2п)=70000/(2*3,14)~13000МПа, tреал~150Мпа. Получено из-за дефектов.

Пути повышения: 1) уменьшение количества дефектов путем создания монокристаллических материалов («усы») – используют для армирования; 2) увеличение количества дефектор поликристаллических материало – создание препятствий на пути движения дислокаций: а) другие дислокации <= пластические деформаци; б) много мелких частиц->границ->дефектов; в) термическая обработка, легирование; г) термодинамическая обработка.

Понятие о сплавах. Твердые растворы, механические смеси, химические соединения.

Сплав – вещ-во, полученное сплавлением 2х или более элементов. Фаза – однородных частица в сплаве, имеющая определенных химический состав, кристаллическую решетку и свойства, отделенные от остальной части сплава четкой границей. Система – совокупность фаз, находящихся в равновесии. В твердом сплаве компоненты могут образовывать:

1) жидкость – жидкое состояние, когда оба компоненты неограниченно растворяются друг в друге. 2) чистые компоненты (А.В).

3) Механическая смесь образуется, если компоненты сплава обладают полной взаимной нерастворимостью и имеют различные кристаллические решетки. Сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих его компонентов. Мех. смесь, образовавшаяся из расплава называется эвтектика. Из тв. вещ-ва – эвтектоид.

4) твердое вещество – мех. Смесь с границами.

5) Химические соединения. Чаще всего происходит, если элементы сущ-но различаются по строению и свойствам. Особенности: 1. Соотношение чисел атомов AnBm 2. Крист. решетка отлична от решеток компонентов. 3. Св-ва хим. с-я отличны от св-в его компонентов. Fe+C=Fe3C-цемент.

6) твердые растворы - компоненты располагается один в другом. Атомы составляют крист. решетку Тв. р-ры бывают внедрения (атомы растворенного эл-та расположены между атомами растворителя) и замещения (ограниченные и неогр.).

Условия неогр. растворимости: 1. Атомные диаметры должны различаться не более чем на 15%. 2. Атомные решетки должны быть однотипные.

 

Предварительная термическая обработка углеродистых инструментальных сталей.

Заэвтектоидные инструментальные стали имеют исходную структуру перлит + вторичный цементит, при этом в ряде случаев при некачественно про­веденной горячей обработке давлением (ковке, прокатке и др.) вторичный це­ментит расположен в виде сетки по границам перлитных зерен.

Такая структура приводит к по­вышенной хрупкости стали и затрудня­ет ее механическую обработку, а после дальнейшей закалки инструмент будет хрупок и неработоспособен. Поэтому в первую очередь необходимо избавить­ся от сетки вторичного цементита. Для этого заэвтектоидную сталь нагревают до температуры, при которой вторич­ный цементит полностью растворится, т. е. на 30-50 °С выше линии Ас3 (но обычно не выше 920-950 °С), выдер­живают при этой температуре и уско­ренно охлаждают на воздухе или в мас­ле (в зависимости от сечения заготов­ки). Если же охлаждать медленно, например, с печью, то вторичный цементит успевает вновь выделиться избирательно по границам перлитных зерен.

Главным условием образования перлита с зернистой формой цементита является фиксация при охлаждении неоднородного по углероду твердого раствора (аустенита). Из однородного (гомогенного) аустенита при медленном охлаждении всегда образуется цементит пластинчатой формы. На практике от­жиг проводят путем нагрева стали выше точки Ac1 (до 740-770 °С) с после­дующей длительной изотермической выдержкой при температуре 660-700 °С (наиболее технологичный режим) или с последующим непрерывным охлаж­дением с печью со скоростью не более 50 град/ч до 500-600 °С и далее на воз­духе (рис. 6.5). Для отдельных заготовок инструментов и небольших их партий возможен маятниковый отжиг, сокращающий время обработки.

Цианирование сталей.

Цианирование - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температурах 600–1200 °С в расплавленных солях, содержащих группу NaCN (значительно ниже температур цементации и температур фазовых превращений). Различают низко-, средне- и высокотемпературное цианирование.

Наиболее часто это насыщение применяют для деталей, работающих на износ: винтов, шайб, осей, шестерён, а также инструментов из быстрорежущей и высокохромистой сталей; стойкость инструмента при этом повышается в полтора два раза.

Среднетемпературное цианирование сталей проводят в ванне, содержащей 20-25%NaCN и 25-50% Na2Cl3 25-50%NaCl при 820-960’С в течении 30- 90 мин для получения слоя небольшой толщины (0.15-0.36 мм) После цианирования при таких сравнительно невысоких температурах следует закалка непосредственно из ванны и низкий отпуск при 160-200 ‘С Твёрдость слоя достигает HRCэ 59-63.

Высокотемпературное цианирование проводят в ваннах, содержащих 8% NaCN, 8% BaCl 10% NaCl при 930-950 ‘C в течение 1.5-6 часов для получения слоя толщиной 0.5-2.0 мм. При цианировании в большей степени поверхность насыщается углеродом. После цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна закаливают и подвергают низкому отпуску.

Низкотемпературное цианирование проводят в ваннах, содержащих 50-90% активных солей NaCN или NaCN и KCN, а остальные – неактивные соли – Na2CO3, NaCl, NaOH, KCH, при температурах 500-600 и иногда 700C Преимущественно идёт насыщение азотом. При температурах 550-570'C азотируют инструмент из быстрорежущих сталей после окончательной термической обработки. Толщина слоя 0.01-0.015 мм для инструментов с тонкой режущей кромкой. Продолжительность процесса от 10-15 минут до 2 ч.

Преимущества цианирования по сравнению с цементацией – значительно меньшая продолжительность процесса и более высокая износостойкость и коррозионная стойкость.

 

Атомно-кристаллическое строение металлов. Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия. Полиморфизм.

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, те атомы расположены упорядоченно и образуют кристаллическую решетку. Различают 3 типа решеток: 1) простая кубическая (куб). Плотность упаковки 8*1/8=1; Координационное Число=6. 2) объемно – центрированная кубическая (оцк) (калий, натрий, литий). Куб, в котором атомы расп. по углам +1 в центре. Плотность 8*1/8+1=2; КЧ=8, коэффициент заполнености 68%. Пример: Fea; Feδ; Tiβ; Wo; Mo; Cr. 3) Кубическая гранецентрированная (гцк) (свинец, никель, золото, марганец). Куб, в котором атомы расп. по углам + по серединам граней. КЧ=12, плотность 8*1/8+6*1/2=4, коэф=74%. 4) Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (цинк), шесть боковых и верхняя и нижняя грани, на которых тоже атом.

Чем больше плотность упаковки, тем выше пластичность.

Свойство металла изменять кристаллическую решетку с изменением температур – полиморфизм (много форм). Полиморфные модификации обозначают α, β, и т д.

Анизотропия - зависимость физических свойств вещества от направления. Естественная А. — наиболее характерная особенность кристаллов. Именно потому, что скорости роста кристаллов в разных направлениях различны, кристаллы вырастают в виде правильных многогранников.

Квазиизотропия – почти одинаковые свойства в различных направлениях.