Основы строения и свойства материалов

Модуль 1. Основы строения и свойства материалов.
Слайд 2.01

Реальный металл
Реальный металл может находиться в зависимости от температуры в жидком (высокие температуры) или твердом состоянии (обычные температуры).
Это объясняется тем, что свободная энергия металла в жидком и твердом состоянии в зависимости от температуры меняется по разному.
Вещество всегда находится в состоянии, обладающем меньшей свободной энергией. Для металла при высоких температурах меньшей свободной энергией обладает жидкое состояние, при низких – твердое состояние.
Все это иллюстрируется графиком на следующем слайде.

Влияние температуры на изменение свободной энергии жидкого и твёрдого металла
Кривая FT - изменение свободной энергии твердого металла при изменении температуры;
Кривая FЖ изменение свободной энергии жидкого металла при изменении температуры

Кривая нагрева металла
Т
Жидкий
металл
Т пл
Твердый
металл
τ
Температура плавления (Т пл) – физическая характеристика любого металла и постоянна для каждого металла

τ
Т
Т пл
Влияние скорости нагрева на ход кривой нагрева металла
τ1
τ2
τ3

Температурные кривые кристаллизации металла с различными скоростями охлаждения
Температура кристаллизации не постоянна и зависит от скорости охлаждения.
Температура кристаллизации всегда ниже температуры плавления.
При кристаллизации металла одновременно идут два процесса:
1.Образование зародышей;
2.Рост образовавшихся зародышей.
Кривые охлаждения

ЧЗ
СРЗ
Влияние скорости охлаждения на скорость роста зародышей и их число

Зерно в металле
В результате образования зародышей и их роста с последующим смыканием в металле образуется зерно.
Зерно (кристаллит) – это маленький монокристалл с определенной направленностью кристаллографической решетки.
Чем больше скорость охлаждения тем более мелкое зерно образуется в кристаллическом металле

Реальный металл состоит из отдельных зерен, маленьких кристаллитов.
Зерно, как маленький монокристалл анизотропно по свойствам.
Так как в металле много зерен, то свойства реального металла усредняются. Реальный металл изотропен по свойствам.
В реальном металле, в отличие от идеального, большое количество дефектов строения, поэтому его прочность значительно уступает идеальному металлу (монокристаллу).
Строение реального металла

Дефекты строения реального металла
В реальном металле присутствуют три вида дефектов:
Точечные;
Линейные
Поверхностные

Строение реального металла.
Слайд 2.06
Дефекты кристаллического строения.
Точечные дефекты характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. К точечным дефектам относятся:
Вакансии;
Атомы в междоузлиях;
Примесные атомы, атомы других элементов
1) свободные места в узлах кристаллической решётки – вакансии (дефекты Шоттки);

Точечные дефекты
2)
атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решётки в межузельные промежутки, - дислоцированные атомы (дефекты Френкеля);
3) атомы других элементов, находящиеся в узлах и междоузлиях, - примесные атомы.

Строение реального металла.
Слайд 2.07
Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов – дислокации:краевая дислокация (экстраплоскость)
и винтовая дислокация.
Краевая дислокация
Винтовая дислокация
Линейные дефекты

Плотность линейных дислокаций
ρ =ΣL/V см/см3
Монокристалл - ρ = 103-106 (10м-10км);
Отожженный металл - ρ = 107-108
(100 км- 1000 км);
Холодное деформирование - ρ = 109-1011 (100000км-10000000км)

Строение реального металла.
Слайд 2.08
Поверхностные дефекты имеют малую толщину в одном направлении и значительные размеры в двух других измерениях.
Поверхностные дефекты это:
границы зерен;
Поверхностные дефекты

Виды границ зерен разных фаз.
Некогерентная межфазная граница
Когерентная межфазная граница
Полукогерентная межфазная граница

Свойства реального металла сильно зависят от количества дефектов.

Строение реального металла.
Слайд 2.10
Существует два способа повышения прочности металлов:
Получение металлов с более близким к идеальному строением кристаллической решетки, т.е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или их число мало;
Увеличение числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций (закалка, деформационное упрочнение).
Повышение прочности металла

Образовавшийся при кристаллизации зародыш растет неравномерно. Наибольшей скоростью роста обладает наиболее плотноупакованная плоскость, поэтому часто зерно растет в виде иглы (ось первого порядка).
На ребре иглы происходят зарождение и рост перпендикулярных игл (ось второго порядка) затем третьего и т.д.
В результате образуется разветвлённый древовидный кристалл, называемый дендритом.
Дендритное строение слитка

Зёрна (дендриты), образующиеся в стальном слитке, могут иметь различную форму, размеры и ориентировку.
Схема строения слитка спокойной стали приведена на рисунке. Структура слитка состоит из трёх зон: наружной мелкозернистой I, зоны столбчатых кристаллов II и зоны равноосных кристаллов III.
1 – Таким образом слиток снаружи со стороны формы имеет слой более мелкокристаллического, более плотного металла.
Этот слой называется - литейная корочка
Структура реального слитка

Зерно в металле
Таким образом, зерно в металле, его форма и размеры зависят от условий кристаллизации металла.
В свою очередь размеры зерна в металле определяют свойства металла, такие как прочность, способность к деформации и т.д.
Поэтому важно знать и контролировать величину зерна в металле.

Под размером зерна принято понимать величину его среднего диаметра, выявляемого в поперечном сечении.
Это определение условно, так как действительная форма зерна в металлах меняется в широких пределах – от нескольких микрометров до миллиметров.
Средний размер зерна оценивается баллами по специальной стандартизованной шкале.
Размер зерна

Зерно в металле. Методы определения размера зерна.
Слайд 2.15
Существуют различные методы определения величины зерна (по ГОСТ 5639-82):
метод эталонных шкал (наиболее распространён);
метод подсчёта зёрен;
метод подсчёта пересечений границ зерен;
метод измерения длин хорд;
Сущность метода эталонных шкал заключается в следующем. Сначала просматривают всю площадь шлифа при увеличении в 100 раз. После просмотра выбирают несколько типичных участков и сравнивают со специальными эталонами представленными в шкале 1.
Определение балла зерна

Шкала №1 для определения величины зерна
Сравнивая картину видимую в микроскопе при увеличении 100х, с эталонами представленными на шкале №1 определяют балл зерна.

Определение размера крупного и мелкого зерна
Для определения размера мелкого зерна используется дополнительная шкала №1 для определения балла мелкого зерна. Увеличение при измерениях составляет х200, х400 и х600 (баллы 7-14)
Для определения размера крупного зерна используется дополнительная шкала №2 для крупного зерна (баллы от -3 до 2). При этом увеличение берется х50 или х25.