Ответы на вопросы к экзамену по металлам

Экзаменационные вопросы по курсу «Металловедение»

1. Введение. Роль материалов в современной технике. Металловедение как наука о свойствах металлов и сплавов в связи с их составом и структурой. Атомнокристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток и их характеристики. Полиморфизм. Строение идеальных и реальных кристаллов. Дефекты кристаллического строения. Диаграмма Бочвара-Одинга.

ОТВЕТ:

Металл – суть тела светлые, которые ковать можно (Ломоносов).

Металловедение – наука, изучающая строение и свойства металлов и их сплавов (под сплавами понимают вещества, состоящие из нескольких металлов, часто с примесями неметаллов, и получаемые обычно сплавлением), устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами и разрабатывающая пути воздействия на их свойства.

Прежде всего, металлы можно разделить на две большие группы – черные и цветные металлы.

Чёрные металлы имеют тёмно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твёрдость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твёрдостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Полиморфизм – явление, при котором ряд металлов (например, железо) в зависимости от температуры и давления может существовать в состояниях с различными кристаллическими решётками.

Чёрные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:

= Железные металлы – железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

= Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (то есть превышает 1539ºС). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

= Урановые металлы – актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.

= Редкоземельные металлы (РЗМ) – Лантан, церий, неодим, празеодим и др., объединяемые под названием лантаноидов, и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими (температура плавления и др.). Их применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и вследствие трудностей разделения на отдельные элементы длля присадки обычно применяют «смешанный сплав», мак называемый мишметалл, содержащий 40-45% Се и 45-50% всех других редкоземельных элементов. К таким смешанным сплавам РЗМ относят ферроцерий (сплав церия и железа с заметными количествами других РЗМ), дидим (сплав неодима и празеодима преимущественно) и др.

= Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев (например, теплоносители в атомных реакторах).

Цветные металлы подразделяются на:

= Лёгкие металлы – бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

= Благородные металлы – серебро, золото, металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). К ним может быть отнесена и «полублагородная» медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

= Легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами – галлий, германий.

Основные свойства металлов:

1. Высокая пластичность.

2. Высокая электро- и теплопроводность.

3. Имеют металлический блеск.

4. Имеют положительный температурный коэффициент сопротивления.

5. Имеют кристаллическое строение.

По строению электронных оболочек металлы принято разделять на нормальные и переходные. У нормальных металлов внутренние электронные оболочки (уровни) полностью заполнены. К таким металлам относят Na, Cu, Mg, Al, Pb и др. У переходных металлов внутренние p и d оболочки недостроены. Наиболее характерные представители переходных металлов Fe, Pd, Pt и им подобные.

Все вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном, переходы между которыми (так называемые фазовые переходы) сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии F (F=U-TS, где U – внутренняя энергия; T – температура; S – энтропия), энтропии, плотности и других физических свойств.

Основные типы кристаллических решёток.

Расположение атомов в последовательности, которая периодически повторяется в трёх измерениях, называется кристаллическим строением.

Наименьшая часть объёма называется кристаллической ячейкой. Кристаллические ячейки характеризуются:

1. Координационным числом – это число атомов, равноудалённых от любого выбранного нами атома.

2. Базис – число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.

а) Простая кубическая.

б) Объёмно центрированная (ОЦК).

в) Гранецентрированный куб (ГЦК).

г) Гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

в) Тетрагональная решётка.

Литой металл имеет дендритное строение. Металл, обработанный давлением имеет волокнистое строение. Все кристаллические тела обладают свойством изотропии. Отдельно взятые тела анизотропны. Аморфные тела изотропны.

Дефекты кристаллического строения:

1. Точечные (имеют малые размеры в трёх направлениях). К ним относятся:

а) вакансии

б) дислоцированный атом

в) примесный атом замещения.

1. Линейные (в двух направлениях – малые, в 1 – значительные).

2. Поверхностные (объёмные).

Благодаря наличию вакансий возможна диффузия и самодиффузия, старение и выделение вторичных фаз.

При нормальных условиях 1 вакансия – 10¹⁸ атомов,

При повышенной температуре 1 вакансия – 10⁴ атомов.

Другой вид несовершенства кристаллической решётки – дислокация. Она характеризуется тем, что в кристаллической решётке появляются лишняя полуплоскость. Этот вид вакансий достаточно распространён в кристаллических структурах металла. Дислокация отличается подвижностью.

Свойство монокристалла – по одному направлению отличается от других.

Различия свойств в зависимости от направления носит название анизотропия, однако, в реальных условиях кристаллы ориентированы хаотично, поэтому свойства металлов в целом одинаковы.

1. Кристаллизация металлов. Законы кристаллизации, факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Модифицирование, строение металлического слитка. Виды ликвации.

ОТВЕТ:

При переходе из жидкого состояния в твёрдое образуется кристаллическая решетка. Это явление называется кристаллизация. В природе все превращения обусловлены тем, что новое их состояние является более энергетически устойчиво, поэтому любая система стремится занять более термодинамически устойчивое состояние.

Рис.1.

Выше температуры меньшей энергией обладает вещество в жидком состоянии. При температуре величина энергии в жидком и твёрдом состоянии равна и при этом может идти как кристаллизация, так и переход в жидкое состояние. Процесс кристаллизации описывает кривые охлаждения и нагрева (рис.1.).

При охлаждении жидкой фазы до температуры кристаллизации для кривой зависимости T-τ имеется горизонтальная площадка соответствующих температур кристаллизации. Кривые получены в результате дифракционно-термического анализа.

Процесс кристаллизации состоит из нескольких стадий:

а) образование зародышей или центров кристаллизации,

б) рост кристаллов из этих центров.

Кинетическая кривая состоит из двух участков. Скорость процесса кристаллизации определяется двумя скоростями:

1. скорость зарождения центров кристаллов,

2. скорость роста кристаллов.

В целом скорость кристаллизации зависит от температуры переохлаждения.

Модель процесса кристаллизации предусматривает:

1. по мере развития процесса кристаллизации, в нём участвует всё большее и большее количество кристаллов. Процесс ускоряется до тех пор, пока столкновения образовавшихся кристаллов не препятствуют их росту. Рост кристаллов замедляется. Количество жидкой фазы уменьшается.

2. В процессе кристаллизации до тех пор, пока кристалл окружён жидкостью, он меняет правильную форму, однако, при столкновении и срастании кристаллов правильная форма начинает нарушаться и внешняя форма становится зависимой от условий.

Кристаллы не имеют правильной формы. Размер и форма образовавшихся кристаллов зависит от величины скорости кристаллизации. При большой величине скорости кристаллизации и малых значениях центров кристаллизации, образуются крупнозернистые структуры. При малой величине скорости кристаллизации и большом количестве центров кристаллизации, образуется большое количество мелких кристаллов.

Закон кристаллизации.

Рис.2. Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояния в зависимости от температуры.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Из кривых, приведённых на рисунке 2 видно, что это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаждена ниже точки . Температура, при которой практически начинается кристаллизация, может быть названа фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением.

Указанные причины обуславливают и то, что обратное превращение из кристаллического состояния в жидкое может произойти только выше температуры ; это явление называется перенагреванием.

Величиной или степенью переохлаждения называют разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации.

Рис.3. Кривая Чернова-Таммана.

Структура литого слитка состоит из трёх основных зон. Первая зона – наружная мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов – дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.

Вторая зона слитка – зона столбчатых кристаллов. После образования самой корки условия теплоотвода меняются (из-за теплового сопротивления, из-за повышения температуры стенки изложницы и других причин), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинает расти нормально ориентированные к поверхности корки (то есть в направлении отвода тепла) столбчатые кристаллы.

Третья зона слитка – зона равноосных кристаллов. В центре слитка уже нет определённой отдачи тепла. «Температура застывающего металла успевает почти совершенно уравниваться в различных точках и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние, вследствие образования в различных её точках зачатков кристаллов. Далее зачатки разрастаются осями – ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом» (Чернов Д.К.).

Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации.

Виды ликвации.