Материал: Строение и свойства металлов и сплавов

Строение и свойства металлов и сплавов

Курсовая работа

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Содержание

1. Общие сведения о металлах. Металлическое состояние вещества. Атомно-кристаллическое строение металлов

. Строение реальных металлов

. Методы исследования металлов

. Свойства металлов

. Плавление и кристаллизация металлов

.1 Энергетические условия процесса кристаллизации

.2 Механизмы процесса кристаллизации

. Форма кристаллов. Строение металлического слитка

. Строение сплавов

. Диаграммы состояния сплавов

.1 Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых практически нерастворимы в твердом состоянии (диаграмма 1го рода)

.2 Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (2 города)

.3 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (3 города)

.4 Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химическое соединение (диаграмма 4-го рода)

.5 Диаграммы состояния сплавов, претерпевающих превращения в твердом состоянии

.6 Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

. Железоуглеродистые сплавы

.1 Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

.2 Диаграмма состояния «железо-цементит»

Литература

1. Общие сведения о металлах. Металлическое состояние вещества. Атомно-кристаллическое строение металлов

Металлы представляют собой однокомпонентную систему. Сплавы представляют собой систему, состоящую из двух и более компонентов. Из всех элементов системы Менделеева 82 элемента относятся к металлам, кроме того, некоторые элементы представляют собой промежуточные вещества между металлами и неметаллами. Например, Si, As, Te. Металлы обладают рядом характерных особенностей:

. Металлический блеск.

. Непрозрачность.

. Высокие тепло- и электропроводность.

. Способность к термоэлектронной эмиссии.

. Положительный коэффициент электросопротивления и т.п.

Это определяет металлические свойства вещества.

Металлические сплавы обладают теми же свойствами, что и металл. Металлическое состояние обусловлено особенностями атомно-кристаллического строения металлов.

По современным представлениям, атом представляет сложную систему, состоящую из положительно заряженного ядра, вокруг которого на разном расстоянии вращаются отрицательно заряженные электроны. Их количество определяется числом заряда ядра. Электроны на внешней оболочке - валентные. Они наиболее слабо связаны с ядром. У металлов валентных электронов от 1 до 3. Характерна весьма слабая связь валентных электронов металлов с ядром, значительно меньше, чем у неметаллов.

Вследствие слабой связи валентных электронов с ядром электроны могут достаточно легко переходить с внешней оболочки одного атома на внешнюю оболочку другого атома. Такие электроны не принадлежат одному конкретному атому и получили название коллективизированных электронов. Совокупность атомов металла можно представить положительными ионами, которые совершают колебания относительно некоторых устойчивых центров, и перемещающимися между ними коллективизированными электронами. По свойствам эти электроны подобны частицам в газе, поэтому их часто называют электронным газом. Количество коллективизированных электронов у различных металлов различно. Это и определяет различные свойства металлов. Между коллективизированными электронами и ионами металла существуют электростатические силы взаимодействия. Эти силы не носят направленного характера. Это определяет особый тип связи - металлический.

Металл в твёрдом состоянии характеризуется определённой закономерностью расположения атомов (ионов) в пространстве, то есть для металла характерно в твёрдом состоянии кристаллическое строение - наличие пространственной кристаллической решетки, в узлах которой располагаются атомы (ионы). Кристаллическая решетка состоит из ряда параллельных кристаллографических плоскостей, расположенных на определённом расстоянии друг от друга. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве образует кристаллическую пространственную решетку, называется элементарной кристаллической ячейкой и определяет тип кристаллической решётки.

Для металлов характерны 3 основных типа решётки:

Кубическая объемно-центрированная решётка (О.Ц.К.). Содержит 9 атомов. Такую решётку имеют: Li, Na, K, Ba, Cr, Mo, W, V, Fe > при температуре выше 1392 ⁰С и ниже 911 ⁰С.

Кубическая гранецентрированная решётка (Г.Ц.К.). Содержит 14 атомов. Такую решётку имеют: Ag, Au, Pt, Cu, Al,, Fe > при температуре 911…1392 ⁰С.

Гексагональная плотноупакованная решётка (Г.П.У.). Содержит 17 атомов. Такую решётку имеют: Mg, Ti, Zn, Y, Be, La.

Размеры элементарных ячеек характеризуются расстояниями между центрами соседних атомов, которые называют параметрами или периодами решеток:

для О.Ц.К. и Г.Ц.К. решёток это длина ребра а;

для Г.П.У. это длины рёбер с и а

Кристаллическая решётка характеризуется рядом величин:

. Базис решётки - определяется числом целых атомов, принадлежащих только одной ячейке:

Для О.Ц.К. решётки базис равен 2, Г.Ц.К. - 4, Г.П.У. - 6.

. Координационное число - определяется числом атомов, находящихся на равном ближайшем расстоянии от одного атома.

·   Координационное число О.Ц.К. решётки равно 8, Г.Ц.К. - 12, Г.П.У. - 12.

3. Плотность упаковки решётки - это отношение объёма, занятого атомами, к объёму элементарной ячейки:

для О.Ц.К. решётки плотность упаковки равна 0,68;

Г.Ц.К. и Г.П.У. - 0,74.

. Индексы плоскостей.

Плоскости решётки обозначаются рациональными числами, являющимися обратными от длины отрезков, отсекаемых на осях координат.

. Индексы направлений в плоскостях - обозначаются координатами любой точки на прямой, проходящей через начало координат, параллельно данному направлению.

Для кристаллических тел характерно явление анизотропии - неравномерности свойств в различных направлениях. Связано это с различным числом атомов в различных направлениях. Явление анизотропии чётко проявляется в пределах монокристалла, но т.к. металл - поликристаллическое вещество, то для них свойственно состояние квазиизотропности (условной однородности свойств).

Для некоторых металлов характерно также явление аллотропии - явление изменения типа кристаллической решётки в зависимости от внешних условий (температуры и давления), но для металла большее значение имеет температура. Температурные формы кристаллической решётки называются аллотропическими модификациями и обозначаются буквами греческого алфавита: a, b, g, d. Например железа: Fe (жидкое) при t=1539 ⁰С ® Fe_d (твёрд.) (О.Ц.К.) при t=1392 ⁰С ®Fe_g (Г.Ц.К.) при t=911⁰С®Fe_b (О.Ц.К.) при t=768 ⁰С ® Fe_a(О.Ц.К.)

металл кристаллизация сплав железоуглеродистый

2. Строение реальных металлов

Металлы, как и любое кристаллическое тело, имеют дальний порядок расположения атомов, т.е. закономерность расположения атомов сохраняется в любом объёме металла. Детальное рассмотрение реальных металлов показывает, что эта закономерность может нарушаться, т.е. кристаллические решётки реальных металлов имеют дефекты (несовершенства). Дефекты решёток могут быть трёх типов: точечные, линейные, поверхностные.

К точечным дефектам относятся вакансии (отсутствие атома в узле решётки - дислоцированные атомы (атомы, перешедшие в межузловое пространство) и примесные атомы (атомы, внедрённые в решётку металла и которые отличаются по размерам от атомов данного металла. Эти дефекты приводят к нарушениям (искажениям) решётки. Образование точечных дефектов связано с тепловым движением атомов. Источником вакансий может служить испарение атомов с поверхности металла.

К линейным дефектам относятся дислокации краевые и винтовые. Возникновение дислокации можно представить, например, в результате частичного сдвига при деформировании кристалла. При этом образуется прерванная кристаллографическая плоскость (экстраплоскость), край которой представляет краевую дислокацию АВ. В области дислокации нарушается порядок расположения атомов. Количество дислокаций в металле значительно увеличивается при пластической деформации.

Поверхностные дефекты имеют заметные размеры в двух направлениях. К ним относятся границы кристаллов, фрагментов, блоков (части кристаллов, имеющие различную ориентировку), а также поверхность тела.

3. Методы исследования металлов

Существует несколько групп методов исследования металлов.

. Химические методы исследования (определение химического состава).

. Структурные методы исследования.

Структура - внутреннее строение металла или сплава: форма, размеры, расположение кристаллов. Различают макроструктуру и микроструктуру.

Макроструктура металла - строение металла, видимое невооружённым глазом или при небольшом увеличении в 20…40 раз.

Микроструктура наблюдается при увеличении в 50…100000 раз.

Макроструктура изучается с помощью макроструктурного анализа на макрошлифах.

С помощью макроанализа можно определить характер излома, размеры, форму, расположение кристаллов металла, поверхностные дефекты (раковины, трещины), химическую неоднородность (ликвацию).

Рентгеноструктурный анализ позволяет исследовать атомно-кристаллическую структуру металла: степень несовершенства кристаллов (плотность дислокаций), тип и параметры решёток, величину микронапряжений.

. Физические методы исследования.

Термический анализ - определение тепловых эффектов фазовых превращений.

Дилатометрический анализ - регистрация линейных и объёмных изменений, связанных с внутренними превращениями металла.

Электрические и магнитные методы анализа - измерение электрических и магнитных величин, связанных с превращениями в металлах.

2. Механические методы исследования (испытания).

Состоят в нагружении металла различными силами. По характеру нагрузки они бывают статические (нагрузка постоянная или медленно возрастающая), динамические (нагрузка изменяется по величине с большой скоростью), знакопеременные (нагрузка с определённым циклом изменяется по величине и направлению). Механические испытания служат для определения механических свойств.

4. Свойства металлов

Различают следующие свойства металлов:

Физические - температура плавления, тепло- и электропроводность, электросопротивление, плотность, коэффициенты объемного и линейного расширения и сжатия.

·   Химические - химическая активность, способность взаимодействовать с различными средами, устойчивость к коррозии.

·   Технологические - литейные свойства, ковкость, свариваемость, обрабатываемость.

·   Эксплуатационные - теплостойкость, жаропрочность, износостойкость и др.

·   Механические - прочность, пластичность, вязкость, твёрдость, выносливость.

Механические свойства определяются в результате механических испытаний металла различными нагрузками. Наиболее распространены испытания металла на растяжение статическими нагрузками.

При действии на тело внешней силы в теле возникают напряжения, величина которых является мерой сопротивления металла действию силы.

По роду действия внутренние напряжения могут быть трёх видов:

. Напряжения первого рода (макронапряжения), которые действуют в объёме всего металла.

. Напряжения второго рода (микронапряжения), действующие в объёме кристалла.

. Напряжения третьего рода (субмикроскопические), действующие в пределах решётки.

Под действием напряжений в теле возникают деформации - изменение размеров и формы тела.

Деформации бывают:

. Упругие - которые после исчезновения нагрузки исчезают.

. Пластические (остаточные) - которые сохраняются после исчезновения нагрузки.

При статических испытаниях металла на растяжение определяются характеристики прочности и пластичности металлов.

Прочность - способность металла сопротивляться деформации и разрушению под действием силы.

Сопротивление тела действию на него силы определяется величиной напряжения, поэтому напряжение является характеристикой прочности металла.

Пластичность - способность металла к необратимому изменению размеров и формы под действием внутренних или внешних сил без разрушения. Характеристикой пластичности металла является величина деформации.

При испытаниях металла на растяжение разрывная машина рисует диаграмму растяжения металла в координатах «нагрузка - удлинение».

При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию. До точки а (прямолинейный участок) эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению, которое определяется как s=Р/F₀, МПа, где Р - нагрузка, Н; F₀ - начальная площадь поперечного сечения образца, мм².

Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией выражает закон Гука:

s = Еε,

где Е - модуль упругости, МПа (характеристика материала);

ε=(Δl/l₀)×100% - относительная деформация;

Δl - абсолютное удлинение, мм; l₀ - начальная длина образца, мм.

Участок а-с соответствует появлению в металле пластической деформации (отклонение от прямой линии). Горизонтальный участок c-d - площадка текучести, при этом деформация растёт при постоянной нагрузке.

Предел текучести (первая характеристика прочности) - наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки:

s_т=Р_Т/F₀, МПа,

где Р_Т - нагрузка, соответствующая площадке текучести.

Дальнейшее повышение нагрузки вызывает рост пластической деформации во всём объёме металла (участок d-б). В точке б нагрузка достигает максимального значения.

Предел прочности (вторая характеристика прочности) - напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, предшествующей разрушению:

s_В=Р_В/F₀, МПа,

где Р_В - наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец до разрушения.

На участке б-к в наиболее слабом месте начинается образование сужения поперечного сечения - шейки, деформация сосредоточивается на одном участке - из равномерной переходит в местную. В связи с этим нагрузка падает, и в точке к при нагрузке Р_К происходит разрушение образца.

При испытании на растяжение определяются также характеристики пластичности. К ним относятся относительное удлинение и относительное сужение.

Относительное удлинение:

,

где l₀ и l₁ - базовая длина образца до и после испытаний.

Относительное сужение:

,

где F₀ - начальная площадь поперечного сечения образца; ₁ - площадь сечения образца в месте разрушения.

Существуют также динамические испытания металла на ударный изгиб, с помощью которых оценивается прочность при динамических нагрузках. Наиболее часто испытывают образцы с надрезом.

Характеристикой прочности при динамических нагрузках служит величина ударной вязкости:

КС=А/F_Н, МДж/м ²,

где А- работа, затрачиваемая на разрушение образца, МДж; _Н - площадь сечения образца в месте надреза, м².

Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела, не получающего остаточной деформации.

Существует три основных способа определения твердости:

По Бринеллю. Заключается во внедрении в испытуемое тело стального закаленного шарика.

2       По Роквеллу. Основан на вдавливании стального закаленного шарика или алмазного конуса.

3       По Виккерсу. Заключается во вдавливании в испытуемую поверхность алмазной пирамиды.

. Плавление и кристаллизация металлов