Внутреннее строение металлов и сплавов. Кристаллическое строение металлов. Внутреннее строение металлов и сплавов Рис.5. Типы кристаллических решеток металла

К машиностроительным материалам относятся металлы и их сплавы, древесина, пластмассы, резина, картон, бумага, стекло и др. Наибольшее применение при изготовлении машин получили металлы и их сплавы.

Металлами называются вещества, обладающие высокой теплопроводностью и электрической проводимостью; ковкостью, блеском и другими характерными свойствами.

В технике все металлы и сплавы принято делить на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе. К цветным - все остальные металлы и сплавы. Для того чтобы правильно выбрать материал для изготовления деталей машин с учетом условий их эксплуатации, механических нагрузок и других факторов, влияющих на работоспособность и надежность машин, необходимо знать внутреннее строение, физико-химические, механические и технологические свойства металлов.

Металлы и их сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Их атомы (ионы, молекулы) располагаются в пространстве в строго определенном порядке и образуют пространственную кристаллическую решетку.

Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве воспроизводит решетку, называется элементарной кристаллической ячейкой.

Форма элементарной кристаллической ячейки определяет совокупность свойств металлов: блеск, плавкость, теплопроводность, электропроводность, обрабатываемость и анизотропность (различие свойств в различных плоскостях кристаллической решетки) .

Пространственные кристаллические решетки образуются при переходе металла из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Процессы кристаллизации впервые были изучены русским ученым Д. К- Черновым.

Кристаллизация состоит из двух стадий. В жидком состоянии металла его атомы находятся в непрерывном движении. При понижении температуры движение атомов замедляется, они сближаются и группируются в кристаллы. Образуются так называемые центры кристаллизации (первая стадия). Затем идет роет кристаллов вокруг этих центров (вторая стадия). Вначале кристаллы растут свободно. При дальнейшем росте кристаллы отталкиваются, рост одних кристаллов мешает росту соседних, в результате чего образуются неправильной формы группы кристаллов, которые называют зернами.

Размер зерен существенно влияет на эксплуатационные и технологические, свойства металлов. Крупнозернистый металл имеет низкую сопротивляемость удару, при его обработке резанием возникает трудность в получении малой шероховатости поверхности деталей. Размеры зерен зависят от природы самого металла и условий кристаллизации.

Методы изучения структуры металла. Исследование структур металлов и сплавов производится с помощью макро- и микроанализа, а также другими способами.

Методом макроанализа изучается макроструктура, т. е. строение металла, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы. Макроструктуру определяют по изломам металла или по макрошлифам.

Макрошлиф представляет собой образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована и протравлена кислотой или другим реактивом. Этим методом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри, неравномерность распределения примесей в металле и т. д.

Микроанализ позволяет определить размеры и форму зерен, структурные составляющие, качество термической обработки, выявить микродефекты.

Микроанализ проводится по микрошлифам с помощью микроскопа (современные металлографические микроскопы дают увеличение до 2000, а электронные - до 25 000).

Ми крошлиф- это образец металла, имеющий плоскую полированную поверхность, подвергнутую травлению слабым раствором кислоты или щелочи для выявления микроструктуры. Свойства металлов. Свойства металлов обычно подразделяют на физико-химические, механические и технологические. Физико-химические и механические свойства твёрдых тел, в том числе и металлов, вам знакомы из курсов физики и химии. Остановимся на рассмотрении некоторых механических и технологических свойств, важных с точки зрения обработки металлов.

Под механическими свойствами, как известно, понимают способность металла или сплава сопротивляться воздействию внешних сил. К механическим свойствам относят прочность, вязкость, твердость и др.

Прочность характеризует свойство металла или сплава в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия внешних сил.

Важным свойством металла является ударная вязкость - сопротивление материала разрушению при ударной нагрузке.

Под твердостью понимают свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела.

Механические свойства материалов выражаются через ряд показателей (например, пределы прочности при растяжении, относительное удлинение и сужение и т.д.)

Пределом прочности при растяжении, или временным сопротивлением разрыву, называется условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец в процессе испытания до разрушения

Твердость металлов и сплавов определяют в основном с помощью трех методов, названных по именам их изобретателей: метод Бринелля, метод Роквелла и метод Виккерса. I Измерение твердости по методу Бринелля заключается в том, что с помощью твердомера ТШ в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 2,5 5 или 10 мм под действием статической -нагрузки Р. Отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка (лунки) дает значение твердости, обозначаемое НВ.

Измерение твердости по Роквеллу осуществляется с помощью прибора ТК вдавливанием в испытуемый металл шарика диаметром 1,59 мм (1/16 дюйма) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (для особо твердых сталей и сплавов) .Показания твердости определяются по индикатору прибора.

Измерение твердости по Виккерсу производится с помощью прибора ТП вдавливанием в металл алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине а= 136°. По длине диагонали полученного отпечатка с помощью таблицы находят число твердости HV.

Применение того или иного метода зависит от твердости испытуемого образца, его толщины или толщины испытуемого слоя. Например, методом Виккерса пользуются для измерения твердости закаленных сталей, материалов деталей толщиной до 0,3 мм и тонких наружных цементированных, азотированных и других поверхностей деталей.

К основным технологическим свойствам металлов и сплавов

относятся следующие:

ковкость-свойство металла подвергаться ковке и другим видам обработки давлением;

ж и д к о т е к у ч е с т ь - свойство расплавленного металла заполнять литейную форму во всех ее частях и давать плотные отливки точной конфигурации;

свариваемость - свойство металла давать прочные сварные соединения;

обрабатываемость реза нием- свойство металлов подвергаться обработке режущими инструментами для придания деталям определенной формы, размеров и шероховатости поверхности.

Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии. Компоненты, из которых состоят сплавы, в твердом состоянии могут по-разному взаимодействовать друг с другом, образуя механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, когда они в твердом состоянии не растворяются друг в друге и не вступают в химическое взаимодействие. Сплавы – механические смеси (например, свинец–сурьма, олово–цинк) неоднородны по своей структуре и представляют смесь кристаллов данных компонентов. При этом кристаллы каждого компонента в сплаве полностью сохраняют свои индивидуальные свойства. Вот почему свойства таких сплавов (например, электросопротивление, твердость и др.) определяются как среднее арифметическое от величины свойств обоих компонентов.

Сплавы – твердые растворы характеризуются образованием общей пространственной кристаллической решетки атомами основного металла-растворителя и атомами растворимого элемента. Структура таких сплавов состоит из однородных кристаллических зерен, подобно чистому металлу. Существуют твердые растворы замещения (медноникелевые, железохромистые и др. сплавы) и твердые растворы внедрения (например, раствор железа и углерода) (рис. 5).

Сплавы - твердые растворы являются самыми распространенными. Их свойства отличаются от свойств составляющих компонентов. Так, например, твердость и электросопротивление у твердых растворов значительно выше, чем у чистых компонентов. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

Химические соединения, подобно твердым растворам, являются однородными сплавами. Важной особенностью их является то, что при затвердевании образуется совершенно новая кристаллическая решетка, отличная от решеток составляющих сплав компонентов. Поэтому свойства химического соединения самостоятельны и не зависят от свойств компонентов. Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении сплавляемых компонентов. Состав сплава химического соединения выражается химической формулой. Эти сплавы обладают обычно высоким электросопротивлением, большой твердостью, малой пластичностью. Так, химическое соединение железа с углеродом – цементит (Fe 3 C) тверже чистого железа в 10 раз.

Кристаллизация сплавов

Сплавы имеют более сложную структуру, чем простые металлы. В связи с этим процессы кристаллизации сплавов протекают значительно сложнее, чем металлов.

Сплавы в отличие от чистых металлов при затвердевании или плавлении имеют не одну, а две критические точки – температуры, при которых в металлах или сплавах происходят какие-либо превращения (рис. 6).

Для облегчения изучения сплавов их объединяют в системы.

К системам относятся все те сплавы, которые состоят из одних и тех же компонентов и отличающиеся друг от друга лишь количественным соотношением этих компонентов, т. е. концентрацией. Так, например, к системе сплавов свинец–сурьма относятся все сплавы, состоящие из свинца и сурьмы и отличающиеся друг от друга лишь количественным составом этих компонентов.

Количество сплавов одной системы, но разной концентрации настолько велико, что изучать по кривым охлаждения или нагревания все превращения, происходящие в каждом из них, практически невозможно, да и нерационально. Для изучения состояния сплавов выбранной системы в зависимости от температуры и концентрации строят диаграмму состояния.

У веществ в твердом состоянии строение кристаллическое или аморфное. В кристаллическом веществе атомы расположены по геометрически правильной схеме и на определенном расстоянии друг от друга, в аморфном же (стекле, канифоли) атомы расположены беспорядочно.

У всех металлов и их сплавов строение кристаллическое. На рис.12 показана структура чистого железа. Кристаллические зерна неопределенной формы не похожи на типичные кристаллы - многогранники, поэтому их называюткристаллитами, зернами или гранулами . Однако строение кристаллитов столь же закономерно, как и у развитых кристаллов.

Рис.12 . Микроструктура чистого железа (х - 150)

Виды кристаллических решеток . При затвердевании атомы металлов образуют геометрически правильные системы, называемыекристаллическими решетками . Порядок расположения атомов в решетке может быть различным. Многие важнейшие металлы образуют решетки, простейшие (элементарные) ячейки которых представляют форму центрированного куба ( - и - железо, хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец), куба с центрированными гранями ( - железо, алюминий, медь, никель, свинец) или гексагональную, как у шестигранной призмы, ячейку (магний, цинк, - титан, - кобальт).

Элементарная ячейка повторяется непрерывно в трех измерениях, образуя кристаллическую решетку, поэтому положение атомов в элементарной ячейке определяет структуру всего кристалла.

Элементарная ячейка центрированного куба (рис.13 ) состоит из девяти атомов, из которых восемь расположены по вершинам куба, а девятый - в его центре.

Рис.13. Элементарная ячейкаРис.14. Часть пространственной решет-

центрированного куба ки центрированного куба

Для характеристики кристаллической решетки (атомной структуры кристалла) применяют пространственную решетку , которая является геометрической схемой кристаллической решетки и состоит из точек (узлов), закономерно расположенных в пространств.

Рис.15. Элементарная ячейка кубаРис.16. Часть пространственной ре-

с центрированными гранями шетки куба с центрированными

На рис. 14 приведена часть пространственной решетки центрированного куба. Здесь взяты восемь смежных элементарных ячеек; узлы, расположенные по вершинам и в центре каждой ячейки, отмечены кружками. Элементарная ячейка куба с центрированными гранями (рис.15 ) состоит из 14 атомов, из них 8 атомов расположены по вершинам - куба и 6 атомов - по граням.

На рис.16 приведена часть пространственной решетки куба с центрированными гранями (гранецентрированного куба). На схеме имеется восемь элементарных ячеек; узлы расположены по вершинам и по центрам граней каждой ячейки. Гексагональная ячейка (рис.17 ) состоит из 17 атомов, из них 12 атомов расположены по вершинам шестигранной призмы, 2 атома - в центре оснований и 3 атома - внутри призмы. Для измерения расстояния между атомами кристаллических решеток пользуются специальной единицей, называемойангстремом см.

Рис.17. Гексагональная ячейка

Параметр решеток (сторона или шестигранника) у меди 3,6 А, а у алюминия 4,05 А, у цинка 2,67 А и т. д.

Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких слоев (оболочек) отрицательно заряженных и движущихся вокруг ядра электронов. Электроны внешних оболочек атомов металлов, называемые валентными , легко отщепляются, быстро движутся между ядрами и называютсясвободными . Вследствие наличия свободных электронов атомы металлов являются положительно заряженными ионами.

Таким образом, в узлах решеток, обозначенных кружками рис.14 и16 , находятся положительно заряженные ионы. Ионы, однако, не находятся в покое, а непрерывно колеблются положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, что вызывает расширение кристаллов, а при температуре плавления колебания частиц усиливаются настолько, что кристаллическая решетка разрушается.

Во всех кристаллах наблюдаются небольшие отклонения от идеальной решетки - незанятые узлы и различного рода смещения атомов.

Анизотропность и спайность кристаллов . В отдельных кристаллах свойства различны в разных направлениях. Если взять большой кристалл (существуют лабораторные и даже производственные методы выращивания крупных кристаллов) вырезать из него несколько одинаковых по размеру, но различно ориентированных образцов, и испытать их свойства, то иногда наблюдается весьма значительная разница в свойствах между отдельными образцами. Например, при испытании образцов, вырезанных из кристалла меди, относительное удлинение изменялось в пределах от 10 - 50 %, а предел прочности-от 14 до 35 кГ/мм 2 для различных образцов. Это свойство кристаллов называютанизотропностью . Анизотропность кристаллов объясняется особенностями расположения атомов в пространстве.

Следствием анизотропности кристаллов является спайность , которая выявляется при разрушении. В местах излома кристаллов можно наблюдать правильные плоскости, указывающие на смещение частиц под влиянием внешних сил не беспорядочное, а правильными рядами, в определенном направлении, соответственно расположению частиц в кристалле. Эти плоскости называютсяплоскостями спайности .

Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную искривленную, так называемую, раковистую поверхность.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят не из одного кристалла, а из множества отдельных кристаллитов, различно ориентированных друг к другу, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы во всех направлениях; это явление называют квазиизотропностью (кажущейся изотропностью).

Аллотропия металлов (или полиморфизм) - их свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагревания или охлаждения. Аллотропию обнаруживают все элементы, меняющие валентность при изменении температуры: например, железо, марганец, никель, олово и др. Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной температуре. Например, одно из превращений железа происходит при температуре 910°С, ниже которой атомы составляют решетку центрированного куба (см.рис.14 ), а выше - решетку гранецентрированного куба (см.рис.16 ).

Та или иная структура называется аллотропической формой или модификацией. Различные модификации обозначают греческими буквами  ,  ,  и т. д., причем буквой обозначают модификацию, существующую при температурах ниже первого аллотропического превращения. Аллотропические превращения сопровождаются отдачей (уменьшением) или поглощением (увеличением) энергии.

Кристаллизация металлов . Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация ). Перекристаллизацию из одной модификации в другую при остывании эатвердевшего металла называют (вторичной кристаллизацией ). Процесс кристаллизации металла легче всего проследить с помощью счетчика времени и термоэлектрического пирометра, который представляет собой милливольтметр, подключенный к термопаре. Термопару (две разнородные проволоки спаянные концами) погружают в расплавленный металл. Возникающий при этом термоток пропорционален температуре металла и стрелка милливольтметра отклоняется, указывая эту температуру по градуированной шкале.

Показания пирометра автоматически записываются во времени и по полученным данным строят кривые охлаждения в координатах «температура - время» (такие кривые вычерчивает самописец).

Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой .

На рис.18, а приведена кривая нагрева металла. Здесь точка а - начало плавления, точкаb - окончание плавления.

Рис.18. Кривые нагревания (а ) и охлаждения (б - без петли,

в - с петлей) металла

Участок а b указывает на неизменность температуры во времени при продолжающемся нагревании. Это показывает, что тепловая энергия затрачивается на внутреннее превращение в металле, в данном случае. на превращение твердого металла в жидкий (скрытая теплота плавления).

Переход из жидкого состояния в твердое при охлаждении сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить несколько ниже температуры плавления. Поэтому площадка на кривой охлаждения (рис.19,6 ) находится несколько нижеt пл при температуре переохлажденияt пр .

У некоторых металлов переохлаждение (t пл - t пр ) может оказаться весьма значительным (например, у сурьмы до 40°С) и при температуре переохлажденияt пр (рис. 18 , в ) сразу бурно начинается кристаллизация, в результате чего температура скачком повышается почти доt пл . В этом случае на графике вычерчивается петля теплового гистерезиса.

При затвердевании и при аллотропическом превращении в металле вначале возникают зародыши кристалла (центры кристаллизации), вокруг которых группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решетку.

Таким образом, процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов.

У каждого из возникающих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллизации кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкостью. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу и точки их соприкосновения определяют границы кристаллитов (зерен).

Кристаллизация железа . Рассмотрим в качестве примера кристаллизацию и критические точки железа.

Рис.19 . Кривые охлаждения и нагревания железа

На рис.19 приведены кривые охлаждения и нагревания чистого железа, которое плавится при температуре 1539 0 С. Наличие критических точек при меньших температурах указывает на аллотропические превращения в твердом железе.

Критические точки обозначаются буквой А , при нагревании обозначаютА c и при охлажденииAr индексы 2, 3, 4 служат для отличия аллотропических превращений (индекс 1 обозначает превращение на диаграмме состоянияFe - Fe 3 C .

При температурах ниже 768 0 С железо магнитно и имеет кристаллическую решетку центрированного куба. Эту модификацию называют -железо ; при нагревании она в точкеАс 2 переходит в немагнитную модификацию -железо . Кристаллическая структура при этом не меняется.

В точке Ас 3 при температуре 910 0 С -железо переходит в -железо с кристаллической решеткой гранецентрированного куба.

В точке Ас 4 при температуре 1401 0 С -железо переходит в -железо , причем кристаллическая решетка вновь перестраивается из гранецентрированного куба в центрированный куб.

При охлаждении происходят те же переходы, только в обратной последовательности.

Из перечисленных превращений наибольшее практическое значение имеют превращения А 3 как при нагреве (Ас 3 ), так и при охлаждении (А r 3 ).

Превращение в точке А 3 сопровождается изменением объема, так как плотность кристаллической решетки -железа больше плотности решетки -железа , в точкеАс 3 объем уменьшается, в точкеAr 3 - увеличивается.

Структура металлов и сплавов

К атегория:

Автомобильные материалы и шины

Структура металлов и сплавов

1. Развитие металлографии

Металлография, или металловедение,- наука, занимающаяся изучением свойств, состава и структуры металлов и их сплавов. Металловедение кзк наука создана русскими учеными-металлур-гами. Выдающийся русский ученый-металлург Павел Петрович Аносов первый заложил основы металловедения. Работая на Златоустовском оружейном заводе на Урале, он впервые в мире в 1831 г. применил микроскоп для исследования строения стали на полированных травленых шлифах. П. П. Аносов положил начало современному процессу производства стали, называемому мартеновским; он осуществил метод передела чугуна в сталь (в 1873 г.) без добавки железа, опередив этим более чем на 30 лет братьев Мартен.

П. П. Аносов проделал большую научную работу по изучению влияния углерода на свойства стали. Его научные работы оказали большое влияние на развитие производства качественных сталей и на улучшение методов их термической обработки. Дальнейшую работу по изучению свойств металлов и металлических сплавов в зависимости от изменения их состава и строения продолжал гениальный русский ученый Дмитрий Константинович Чернов. Работая инженером на Обуховском сталелитейном заводе в Петербурге, он сделал открытие, которое имело исключительно важное значение для дальнейшего развития металловедения. Д. К. Чернов в результате многочисленных наблюдений над поведением стальных поковок в процессе тепловой обработки установил, что при определенных температурах в стали, находящейся в твердом состоянии, происходит перестройка ее частиц, благодаря чему изменяется структура стали и ее свойства.

Открытия, сделанные Д. К. Черновым, были опубликованы в 1868 г., в связи с чем он получил всемирную известность и заслуженно считается основоположником металлографии. Благодаря его открытиям стала возможной правильная, научно обоснованная термическая обработка металлов и металлических сплавов.

Последователи и ученики Д. К. Чернова - Н. С. Курнаков, А. А. Байков и др.- в дальнейшем способствовали своими научными работами и исследованиями еще большему развитию отечественного металловедения.

2. Кристаллическая структура металлов

Существуют тела аморфные и кристаллические. Структура аморфных тел состоит из хаотически расположенных атомов. К таким телам относятся, например, стекло, янтарь, смолы и т. п. Кристаллические тела отличаются от аморфных тем, что атомы в них располагаются в геометрически правильном порядке. Металлы и металлические сплавы относятся к типичным кристаллическим телам. Атомы, располагаясь в металлах в строго определенном геометрическом порядке, образуют кристаллическую решетку (рис. 11). В зависимости от расположения атомов образуются различные виды кристаллических решеток.

В металлах чаще всего встречаются кристаллические решетки в виде центрированного куба, гранецентрированного куба и гексагональной призмы.

Такие, например, металлы как хром, ванадий, вольфрам, молибден и ряд других, имеют кристаллическую решетку в виде центрированного куоа (рис. 12, а), в которой восемь атомов располагаются в углах куба и один - в центре куба.

Алюминий, медь, свинец, никель, серебро и др. имеют кристаллическую решетку - гранецентрированную, т. е. в виде куба с центрированными гранями (рис. 12,6). В такой решетке в каждом углу куба находится по одному атому и по одному атому в центре каждой грани. Всего, следовательно, 14 атомов.

Кристаллическую решетку в зиде гексагональной призмы (рис. 12, е) имеют такие металлы, как, например, цинк, титан, марганец. Расположение атомов в кристаллической решетке типа гексагональной призмы следующее: в каждом углу призмы находится по одному атому, в центре верхнего основания один атом, в центре нижнего основания один атом и три атома в среднем сечении.

Рис. 11. Кристаллическая решетка

Рис. 12. Виды кристаллических решеток:
а - куб центрированный; б - куб гранецентрированный; в - гексагональная призма

Расстояния между атомами в кристаллической решетке чрезвычайно малы и измеряются специальной единицей длины, которая носит название ангстрема (по имени ученого). Один ангстрем равен одной стомиллионной Юле сантиметра.

В расплавленном жидком металле атомы находятся в движении.‘Движение их носит хаотический характер, но по мере того, как температура металла понижается и приближается к критической, т. е. к температуре затвердевания, в нем образуются так называемые центры кристаллизации, или зародыши кристаллизации. Центры кристаллизации представляют собой чрезвычайно мелкие группы атомов, которые группируются в геометрически правильном порядке.

Образующиеся зародыши кристаллизации очень неустойчивы, и многие из них снова растворяются. Практическими наблюдениями установлено, что зародыши кристаллизации приобретают устойчивость и начинают расти тогда, когда жидкий металл переохладится до некоторой температуры. Кривая охлаждения чистого металла дает наглядное представление о том, как протекает процесс кристаллизации.

Рис. 13. Кривая охлаждения чистого металла

В переохлажденном металле (рис. 13, а) процесс кристаллизации начинает протекать быстрее. После начала интенсивной кристаллизации температура переохлажденного металла поднимается до температуры его затвердевания (б) за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации.

Рис. 14. Схема образования зерен

В течение всего процесса кристаллизации температура металла остается постоянной (б, в). После того как металл перейдет из жидкого состояния в твердое, начинается понижение его температуры до температуры окружающей среды (г). В процессе кристаллизации происходит рост зародышей за счет атомов из окружающей их жидкости, которые располагаются в кристаллической решетке в строго определенном порядке (рис. 14, а, б). Вначале рост зародышей кристаллизации протекает свободно, и они имеют правильную внешнюю геометрическую форму. Но так как одновременно образуется много зародышей, то наступает такой момент, когда они начинают встречаться друг с другом (рис. 14, в, г, д). После такого столкновения рост их становится возможным только в тех направлениях, где нет помех. Это приводит к тому, что внешняя геометрическая форма кристаллов металла становится неправильной, вследствие чего они обычно называются зернами металла (рис. 14, е).

3. Изменение структуры в твердых металлах (явление аллотропии)

Структура некоторых металлов, находящихся в твердом состоянии, может при известной температуре испытывать превращения, которые представляют собой перегруппировку атомов и переход из одного вида кристаллической решетки в другой. Такое явление носит название аллотропии металлов. Различные кристаллические формы, в которые кристаллизуется один и тот же твердый металл при определенных температурах, называются аллотропическими модификациями. Аллотропические модификации обозначаются греческими буквами. Переход из одной модификации в другую происходит при определенной, постоянной температуре и сопровождается поглощением тепла (при нагреве) или выделением тепла (при охлаждении) и образованием новой кристаллической решетки.

Рис. 15. Кривая охлаждения чистого железа

Чистое железо существует в нескольких модификациях. На кривой охлаждения чистого железа (рис. 15) видно, при каких температурах происходят аллотропические превращения железа. До температуры 910° железо имеет кристаллическую решетку в виде центрированного куба и называется альфа-железо a-Fe. .причем до 770° a-Fe магнитно, а выше 770° немагнитно. При температуре 910° кристаллическая решетка a-Fe меняется и переходит в гранецентрированную; эта модификация называется гамма-железо y-Fe и устойчива до температуры 1390°, при которой вновь превращается в решетку центрированного куба. Новая модификация называется дельта-железо 8-Fe. Аллотропические превращения имеют очень важное значение, так как металлы, испытывающие такие превращения, могут подвергаться термической обработке. Аллотропическим превращениям подвержены, кроме железа, и некоторые другие металлы, как, например, титан, марганец, кобальт, цирконий, олово.

4. Строение сплавов

Сплавом называется сложное вещество, полученное сплавлением двух или нескольких элементов. Элементы, составляющие сплав, называются компонентами сплава. В жидком состоянии сплав представляет раствор, в котором атомы одного компонента равномерно распределяются между атомами других компонентов, благодаря чему жидкий раствор обладает одинаковыми свойствами в любой своей части, как бы она ни была мала. Такие вещества называются однородными. Свойства любого жидкого раствора отличаются от свойств его компонентов, но каждый компонент оказывает влияние на характер свойств раствора. При тщательном исследовании жидких растворов оказывается, что физические, электрические и другие свойства этих растворов резко отличаются от свойств их компонентов и могут изменяться в зависимости от процентного содержания компонентов, т. е. от концентрации‘раствора.

Концентрацией раствора называется отношение веса растворимого вещества к весу всего раствора. Концентрация выражается обычно в процентах. При переходе сплава из жидкого состояния в твердое могут получаться различные виды взаимодействия компонентов. Основными видами взаимодействия компонентов являются: механическая смесь, химическое соединение и твердый раствор.

Механическая смесь представляет такой вид взаимодействия компонентов, при котором в процессе кристаллизации компоненты сплава не вступают в химическую реакцию и не растворяются один в другом, а сохраняют свои кристаллические решетки. Следовательно, структура сплава, являющегося механической смесью двух каких-либо компонентов, например, свинца и сурьмы, будет состоять из чрезвычайно мелких кристаллов свинца и кристаллов сурьмы.

В случае химического соединения взаимодействие компонентов сплава характеризуется образованием совершенно новой кристаллической решетки, не похожей на кристаллические решетки компонентов; при этом соотношение компонентов всегда будет строго определенным.

Твердый раствор отличается от механической смеси и химического соединения тем, что в нем сохраняется кристаллическая решетка металла-растворителя, в которой размещаются атомы всех компонентов сплава. Металл, кристаллическая решетка которого сохраняется после образования твердого раствора, называется растворителем. Твердые растворы могут быть двух видов: твердый раствор внедрения и твердый раствор замещения. В твердом растворе внедрения атомы растворенного вещества располагаются между атомами растворителя (рис. 16, а). В твердом растворе замещения атомы растворенного вещества частично замещают собой атомы растворителя в его кристаллической решетке (рис. 16,6).

Рис. 16. Решетка твердого раствора:
а - внедрения; б - замещения

5. Диаграмма состояния сплавов (свинец - сурьма) и ее построение

Для изучения сплавов обычно пользуются диаграммами состояния сплавов. Диаграммы состояния сплавов заменяют собой все записи и кривые охлаждения сплава, полученные в результате Многочисленных наблюдений. Такая диаграмма дает возможность видеть все изменения строения сплава и его свойств, происходящие в зависимости от изменения концентрации и температуры. Любая точка диаграммы дает характеристику сплаза определенной концентрации и структуры. По диаграмме состояния сплавов можно определить температуру плавления и температуру затвердевания данного сплава при любой концентрации. Знание этих фактов способствует правильному выбору температур нагрева и охлаждения при термической и химико-термической обработках различных сплавов.

Для того чтобы уяснить, как строится диаграмма состояния сплавов, рассмотрим построение такой диаграммы для сплавов свинца и сурьмы. Возьмем чистые металлы свинец и сурьму и несколько их сплавов с содержанием сурьмы 5%, 10%, 13%, 20%, 40% и 80%.

Рис. 17. Кривые охлаждения свинца, сурьмы и различных сплавов свинца с сурьмой

Чтобы определить критические точки взятых металлов и их сплавов, нагреем поочередно каждый металл и сплав до полного расплавления и с помощью термопары или пирометра внимательно проследим за процессом их охлаждения и построим кривые охлаждения (рис. 17). В процессе охлаждения расплавленного чистого свинца будут происходить следующие явления.

При температурах, лежащих выше 327°, свинец находится в жидком состоянии (рис. 17, а); при температуре 327° наблюдается процесс кристаллизации свинца с задержкой падения температуры до полного завершения кристаллизации; после окончания кристаллизации происходит дальнейшее охлаждение твердого свинца до температуры окружающей среды.

Аналогичные явления наблюдаются и в процессе охлаждения расплавленной чистой сурьмы (рис. 17, б), с той лишь разницей, что кристаллизация сурьмы начинается при температуре 630°.

Сплав, состоящий из 95% свинца и 5% сурьмы (рис. 17,в), имеет кривую охлаждения с двумя критическими точками, поэтому он затвердевает в интервале температур 296-246°. При температуре 296° из жидкого сплава начинают выделяться первые кристаллы чистого свинца. Кривая в этой точке имеет перегиб. По мере дальнейшего понижения температуры количество кристаллов свинца будет все более увеличиваться, а остающаяся часть жидкого сплава будет обогащаться сурьмой. Такое явление продолжается до тех пор, пока концентрация жидкого сплава не достигнет 13% сурьмы и 87% свинца; при такой концентрации весь сплав, оставшийся еще жидким, затвердеет при температуре 246°. Сплав, состоящий из 30% свинца и 10% сурьмы (рис. 17, г), затвердеет также в интервале температур 260-246°. При температуре 260° начинается выделение из жидкого сплава кристаллов свинца. При достижении концентрации жидкого сплава до 13% сурьмы и 87% свинца происходит затвердевание сплава при температуре 246° (рис. 17, д). Следовательно, при охлаждении вышеприведенных сплавов, прежде чем будет достигнута критическая температура 246°, весь лишний, избыточный сверх 87% свинец выделяется из жидкого сплава в виде кристаллов. По достижении состава 87% свинца и 13% сурьмы сплав переходит в твердое состояние при температуре 246°. Структура затвердевшего сплава такой концентрации состоит из правильно чередующихся между собой частиц свинца и сурьмы. Такая механическая смесь называется эвтектической. Все сплавы свинца с сурьмой, содержащие сурьмы меньше, чем 13%, будут всегда иметь избыток свинца и при охлаждении стремятся выделить этот избыток в виде твердых кристаллов свинца, чтобы при температуре 246° образовать эвтектику. Тогда, очевидно, в твердом состоянии такие сплавы будут иметь структуру свинец + эвтектика. Сплав, состоящий из 87% свинца и 13% сурьмы, имеет кривую охлаждения (рис. 17, д) с одной критической точкой. Этот сплав находится в жидком состоянии при температурах, лежащих выше 246°. При температуре 246° сплав полностью переходит в твердое состояние.

Такая структура твердого сплава представляет собой чистую эвтектику. Сплав, состоящий из 80% свинца и 20% сурьмы (рис. 17, е), при температурах выше 280° находится в жидком состоянии. При охлаждении сплава до температуры 280° из него начинают выделяться кристаллы твердой сурьмы, причем этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока оставшийся жидкий сплав не примет эвтектического состава. При температуре 246° весь сплав затвердевает. Структура затвердевшего сплава будет состоять из кристаллов сурьмы и эвтектики. Сплав, состоящий из 60о/0 свинца и 40о/0 сурьмы (рис. 17, ж), выше температуры 395° Находится в жидком состоянии. При температуре 395° начинается процесс кристаллизации с выделением из жидкого раствора кристаллов избыточной сурьмы. По достижении эвтектического состава- (87о/0 свинца и 13% сурьмы) при температуре 246° весь сплав переходит в твердое состояние, образуя структуру, состоящую из кристаллов сурьмы и эвтектики.

Сплав, состоящий из 20% свинца и 80% сурьмы (рис. 17, з), находится в жидком состоянии выше температуры 570°. При температуре 570° начинается процесс выделения из жидкого сплава кристаллов избыточной сурьмы. По достижении эвтектического состава при температуре 246° весь сплав переходит в твердое состояние. Структура сплава состоит из кристаллов сурьмы и эвтектики. Приведенные наблюдения показывают, что все сплавы свинца с сурьмой, в которых содержание свинца меньше 87о/0, содержат избыток сурьмы и при охлаждении будут стремиться выделить этот избыток в процессе кристаллизации в виде твердых кристаллов сурьмы, чтобы при температуре 246° образовать эвтектику. Чем больше будет сурьмы в сплаве, тем при более высокой температуре начнет выделяться из него при охлаждении избыточная (против 13<>/0) сурьма. Сплавы свинца с сурьмой при наличии в них избыточной сурьмы образуют в твердом состоянии структуру, состоящую из кристаллов сурьмы и эвтектики.

Рис. 18. Диаграмма состояния сплавов системы свинец-сурьма

Кривые охлаждения сплавов свинца и сурьмы с различным процентным содержанием Компонентов можно объединить в одну диаграмму состояния сплавов свинца с сурьмой. Для этого на горизонтальной оси (рис. 18) отложим содержание свинца и сурьмы в испытанных сплавах. Через точки, соответствующие 100% сурьмы и 100% свинца, проведем вертикальные прямые линии, на которых отложим температуры от 0 до 700°. Через точки, отвечающие составам испытанных сплавов, проведем пунктиром вертикальные линии. После этого переносим с кривых охлаждения критические точки на вертикальные линии диаграммы. Критическую точку чистого свинца (327°) обозначим буквой А, а критическую точку чистой сурьмы (630°) буквой С. Как известно из предыдущих наблюдений, каждый сплав имеет две критические точки, кроме эвтектического сплава. Критическую температуру эвтектического сплава обозначим буквой В. Соединим точки А и С плавными кривыми с точкой В так, чтобы кривые проходили через все верхние критические точки. Через все нижние критические точки проведем прямую линию, которая пройдет и через точку В, и обозначим ее левый конец буквой D, а правый конец буквой Е. Верхние критические точки являются точками начала затвердевания сплавов, а нижние критические точки - точками конца затвердевания сплавов. Линия ABC диаграммы называется линией ликвидуса (от латинского слова жидкий). Выше линии ABC все сплавы свинца и сурьмы находятся в жидком состоянии. Линия DBE называется линией солидуса (от латинского слова «твердый»). Ниже линии DBE все сплавы свинца с сурьмой находятся в твердом состоянии, причем ниже линии DB они будут состоять из кристаллов свинца и эвтектики и называются доэвтектическими, ниже точки В - из чистой эвтектики (так называемые эвтектические) и ниже линии BE - из кристаллов сурьмы и эвтектики (заэвтектические).

6. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Существуют различные структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. Они имеют следующие названия: феррит, цементит, аустенит.

Ферритом называется химически чистое железо, а также твердый раствор углерода в железе. Растворимость углерода в железе чрезвычайно мала и обычно составляет 0,006-0,04%. Феррит устойчив до температуры 910°. Он обладает небольшой твердостью и малой прочностью. Твердость феррита зависит от размера зерна; пластичность феррита высокая.

Цементитом называется химическое соединение железа с углеродом. Цементит содержит 6,67% углерода (по весу) и представляет собой очень твердое и хрупкое кристаллическое вещество, которое при нагревании до высоких температур распадается на феррит и свободный углерод (углерод отжига). В белом чугуне содержится большое количество цементита. Цементит оказывает значительное влияние на механические свойства стали.

Механическая смесь феррита и цементита образует структуру стали, называемую перлитом. Перлит бывает двух видов: пластинчатый, или полосчатый, и зернистый. Пластинчатый перлит имеет вид перемежающихся ‘очень мелких пластинок феррита и цементита. Путем нагрева до определенных температур можно изменить строение пластинчатого перлита и получить так назы-ваёмый зернистый перлит, в котором цементит находится в виде круглых зерен, расположенных среди феррита.

Зернистый перлит обладает лучшими механическими свойствами, чем пластинчатый. Перлит по своим механическим свойствам занимает промежуточное положение между ферритом и цементитом. Сталь с содержанием углерода 0,83% имеет чистую перлитную структуру.

Аустенит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в железе. Растворимость углерода в у-железе может достигать 1,7%. В обыкновенной углеродистой стали аустенит устойчив до температуры 723°. Ниже 723° он распадается на феррит и цементит. При температурах, лежащих ниже 723°, аустенит может сохраняться только в высоколегированных марганцовистых, хромоникелевых или никелевых сталях.

Эвтектическая смесь аустенита и цементита образует структуру стали, называемую ледебуритом. Ледебурит образуется при затвердевании железоуглеродистого сплава с содержанием углерода 4,3% при температуре 1130°. Ледебурит остается устойчивым до температуры 723°. Ниже этой температуры ледебурит изменяет свою структуру, так как входящий в его состав аустенит распадается на перлит, вследствие чего ледебурит при температурах ниже 723° будет состоять из перлита и цементита.

7. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Стали и чугуны представляют собой сложные сплавы, содержащие, кроме железа и углерода, другие элементы - кремний, марганец, фосфор и серу, а также цветные металлы (в легированных сталях и чугунах). Главнейшей составной частью, определяющей характер и свойства железоуглеродистого сплава, является углерод. Структура и свойства стали и чугуна изменяются лишь при условии нагрева их до критических температур, зависящих от содержания углерода в этих сплавах. Критические температуры железоуглеродистых сплавов с разным содержанием углерода могут быть нанесены на специальную диаграмму, называемую диаграммой состояния сплавов системы железо - углерод.

Такая диаграмма (рис. 19) позволяет определить для каждого сплава стали и чугуна температуру его плавления, все превращения, испытываемые сплавом при охлаждении и нагревании, и структуру сплава при любой температуре. По горизонтальной оси диаграммы откладывается содержание углерода в процентах, а по вертикальной оси - температура. Каждая точка на диаграмме представляет собой определенный сплав при определенной температуре. Выше линии ACD все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия АCD есть линия ликвидуса.

Чистое железо плавится и затвердевает в одной точке при температуре 1535°. Все остальные сплавы железа с углеродом плавятся и затвердевают в некотором промежутке температур, постепенно изменяющемся. Сплавы, содержащие от 0 до 4,39% углерода, начинают затвердевать по линии АС, выделяя твердые кристаллы аустенита. Сплавы, содержащие более 4,3% углерода, начинают затвердевать по линии CD, выделяя твердые кристаллы цементита Fe3C. Сплав, содержащий 4,3% углерода, затвердевает полностью в точке С, выделяя одновременно кристаллы аустенита и цементита, в результате чего образуется эвтектика, называемая ледебуритом. Линия AECF есть линия солидуса. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Область диаграммы, ограниченная линиями АС, СЕ, ЕА, представляет сплавы, состоящие из твердых кристаллов аустенита и жидкого сплава; область диаграммы, ограниченная линиями DC. CF, FD, включает сплавы, состоящие из твердых кристаллов цементита и жидкого сплава.

Рис. 19. Диаграмма состояния системы железо - углерод

Сплавы, находящиеся в области диаграммы, ограниченной линиями АЕ, ES, SG, состоят из аустенита. По линии ES начинает выделяться из аустенита цементит. Ниже линии PSK весь оставшийся аустенит распадается в точке 5 на феррит и цементит, образуя механическую смесь, называемую перлитом, причем в точке 5 сплав содержит углерода 0,83°/о. Такой сплав называется эвтектоидным. Линия GPQ показывает предел насыщения а-железа углеродом.

8. Изменение структуры стали

При нагревании стали выше критической точки Aci (рис, 20) (температура, при которой перлит превращается в аустенит) в структуре стали, как известно, начинают происходить превращения. После окончания превращения дальнейшее нагревание или выдержка ведут к росту аустенитного зерна. Рост зерна происходит самопроизвольно, причем скорость этого процесса увеличивается с повышением температуры.

Рост аустенитного зерна протекает по-разному и зависит от склонности зерна к росту. В зависимости от этого различают стали наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые. Под наследственностью понимают склонность зерна к росту. Наследственно крупнозернистые стали обладают повышенной склонностью аустенитного зерна к росту, а наследственно мелкозернистые малой склонностью к росту.

Изменение размеров зерна при нагревании указанных сталей видно из рис. 20. При нагревании стали выше критической точки Асх размер зерна стали резко уменьшается. При дальнейшем нагревании аустенитное зерно в наследственно мелкозернистых сталях не растет до температур порядка 950--1000°, после чего начинается быстрый рост зерна.

В наследственно крупнозернистых сталях зерно начинает расти сразу после перехода через критическую точку Ас\. Размер аустенитного зерна имеет большое значение для получения окончательных результатов при термической обработке сталей. Превращение перлита ib аустенит сопровождается измельчением зерна. Образующееся при этом превращении зерно очень мелко. При обратном превращении аустенитного зерна в перлитное изменений в его размере почти не происходит (рис. 21). Следовательно, размер перлитного зерна зависит главным образом от размера аустенигного зерна. А так как аустенитное зерно растет только при нагревании, то, нагревая сталь до определенных температур, можно получить окончательно требуемый размер зерна стали. Размер действительного зерна стали, т. е. зерна, полученного в результате той или иной термической обработки, оказывает большое влияние на механические свойства стали.

Рис. 20. Схема роста зерна в наследственно-мелкозернистой и в наследственно-крупнозернистой стали

Крупнозернистая сталь хорошо прокаливается и обрабатывается режущим инструментом, но в то же время она более склонна к закалочным деформациям, к образованию в ней трещин. Мелкозернистые стали обладают большей ударной вязкостью в сравнении с крупнозернистыми сталями, но меньшей прокаливае-мостью. Для изготовления изделий, которым требуется вязкая сердцевина при твердой поверхности, применяется мелкозернистая сталь.

При медленном охлаждении нагретой стали до аус-тенитного состояния аусте-нит превращается в перлит, феррит и цементит. При больших скоростях охлаждения - от 40 до 200° в секунду и более - в результате распада аустенита получаются структуры стали: сорбит, троостит и мартенсит.

Сорбит бывает двух видов: сорбит закалки и сорбит отпуска. Сорбит закалки состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита, но пластинки цементита в нем значительно тоньше, чем в перлите. Сорбит тверже перлита, но обладает меньшей вязкостью. Сорбит отпуска получается в результате распада мартенсита в стали при отпуске ее в интервале температур 500-600°. В сорбите отпуска частицы цементита имеют шарообразную форму. Троостит, так же как и сорбит, различается двух видов: троостит закалки и ‘троостит отпуска.. Троостит представляет механическую смесь пластинок феррита и цементита, но более тонких, чем в сорбите. Троостит обладает большей твердостью по сравнению с сорбитом, но меньшей вязкостью. Троостит отпуска является продуктом распада мартенсита при отпуске его в интервале температур 350-450°.
Мартенсит представляет собой твердый раствор внедрения углерода. Кристаллы мартенсита имеют иглообразную форму. Он обладает высокой твердостью и хорошо сопротивляется износу; пластичность и вязкость его низкие.

Рис. 21. Изменение размера зерна в процессе перекристаллизации

К атегория: - Автомобильные материалы и шины

Еталлы, как и все окружающие нас тела, состоят из отдельных невидимых даже в самый сильный микро­скоп частиц, называемых атомами. Но атомы в свою очередь построены из ещё более мелких частиц: протонов, электронов и нейтронов. Протоны и электроны имеют электрические заряды: протон - положительный заряд, а электрон - отрицательный, нейтрон же не имеет никакого электрического заряда.

Если два протона «находятся близко, они отталкива­ются друг от друга, так как они заряжены одноимённым электричеством. Так же ведут себя и два электрона. На­против, протон и электрон притягиваются друг к другу, причём силы взаимного притяжения протона и электрона равны между собой, т. е. протон обладает элементарным электрическим зарядом, равным заряду электрона.

Атом в нормальном состоянии, т. е. когда он содержит одинаковое количество протонов и электронов, не обла­дает электрическим зарядом. Но бывают такие состояния атома, когда он приобретает или теряет электроны. Тогда атом становится электрически заряженным. При избытке электронов атом заряжен отрицательным электричеством, а при нехватке электронов он заряжен положительным электричеством. Вот такие атомы, в которых имеется из­быток или недостаток электронов, называются ионами.

Как же располагаются элементарные частицы в атоме?

В настоящее время считают, что атом построен следую­щим образом. Протоны и нейтроны составляют ядро, на­ходящееся в центре атома. Вокруг ядра обращаются электроны, которые образуют электронную обо­лочку атома. В каждом атоме количество электронов равно количеству протонов.

Электроны в электронной оболочке расположены слоями. В каждом слое может поместиться лишь опреде* лённое количество электронов. Первый слой, окружающий непосредственно ядро, может вместить лишь два элект­рона, второй слой - 8, третий - от 8 до 18 электронов. Каждый новый слой электронов при переходе от одного атома к другому образуется обычно после заполнения близлежащего к ядру внутреннего слоя.

Например, ядро атома натрия, как установлено, имеет 11 протонов, а его 11 электронов распределены в трёх оболочках: в первой - 2, во второй - 8 и в третьей -

1 электрон. Ядро атома рубидия содержит 37 протонов и окружено 37 электронами, котс^рые расположены в пяти оболочках: в первой - 2, во второй - 8, в третьей-18, в четвёртой - 8, в пятой - 1 электрон. Ещё более слож­ное строение имеет атом урана. Его ядро содержит 92 про­тона, а в электронной оболочке имеется 92 электрона.

Протон и нейтрон почти одинаковы по весу, а электрон почти в 1840 раз легче протона. Значит, основная масса атома содержится в его ядре. Чем большее количество нейтронов и протонов содержится в ядре, тем больший вес имеет атом.

Вес атома, например, в граммах выражать очень не­удобно: потребовалось бы писать десятки нулей после за­пятой. Поэтому ввели понятие об относительном весе ато­мов, об атомном весе. Вначале за единицу был при­нят атомный вес водорода; с ним сравнивали атомные веса всех других элементов.

Стройную систему химических элементов создал вели­кий русский химик Д. И. Менделеев в 1869 году, на основе открытого им периодического закона.

Сущность закона Менделеева состоит в том, что все химические элементы, расположенные один за другим в порядке возрастания атомных весов, образуют ряд, в ко­тором химические свойства элементов через определённое количество элементов периодически повторяются.

Д. И. Менделеев расположил химические элементы в своей таблице так, что элементы, помещённые в одних и тех же вертикальных столбцах, обладают сходными хими­ческими свойствами. Зная место элемента в таблице, мож­но определить большинство химических свойств элемента и его соединений. Каждый химический элемент в таблице Менделеева имеет порядковый номер. Его теперь называют числом Менделеева. Этот номер указывает число протонов в ядре. В одни и те же вертикаль­ные столбцы таблицы попадают атомы с одинаковым числом электронов во внешней оболочке.

В зависимости от числа электронов во внешней оболоч­ке меняются химические и физические свойства элемента.

Атомы одного и того же элемента, отличающиеся друг от друга лишь числом нейтронов в ядре, называются изо­топами. «Изотоп» - греческое слово. Оно обозначает «занимающий одно и то же место». Изотопы каждого эле­мента располагаются в одной и той же клетке таблицы Менделеева, поскольку заряд ядра (количество прогонов) у изотопов одного и того же элемента одинаков. Металлы в отличие от жидких и газообразных тел в обычных усло­виях являются кристаллическими телами. Кристалл - это правильная фигура, ограниченная пло­скими поверхностями.

Внутреннее строение кристаллов в настоящее время изучено довольно хорошо с помощью рентгеновских лу­чей. Освещая ими кристаллы, получают рентгенограмму, т. е. картину на фотопластинке, по которой определяют расположение атомов в кристаллической решётке и рас­стояния между ними. Рентгенограммы показали, что ионы металлов «укладываются» в кристалле примерно так же, как располагаются в ящике твёрдые шары.

Атомы разных металлов образуют неодинаковые кри­сталлические решётки. Чаще всего встречаются три типа решёток.

Первый тип - кубическая объёмноцентрированная ре­шётка (рис. 1). Атомы металла в такой решётке нахо­дятся в вершинах и центре куба. Каждый атом окружён

Восемью атомами. Такую решётку имеют металлы вана­дий, вольфрам, молибден, литий, хром и другие.

Второй тип решётки - кубическая гранецентрирован - иая (рис. 2). Атомы металла в ней расположены по вер­шинам граней куба. Такой решёткой обладают, напри­мер, алюминий, свинец, золото, серебро, никель, торий.

Третий тип - гексагональная (шестиугольная) плотно упакованная решётка (рис. 3). Она встречается у цинка, магния, кадмия, бериллия.

На рис. 1-3 атомы условно изображены в виде ша­риков. В зависимости от типа решётки атомы занимают в ней больше или меньше места. Например, в кубической объёмноцентрированной решётке атомы занимают 68% пространства, а в кубической гранецентрированной-74%.

Расположение атомов в кристаллической решётке ока­зывает большое влияние на свойства металла.

У некоторых металлов кристаллическая решётка может перестраиваться из одного типа в другой. Например, чис­тое железо при температурах ниже 910° имеет кубическую
объёмноцентрированную решётку, а выше 910° решётка становится гранецентрированной. Свойством изменять кри­сталлическую решётку обладают и такие металлы, как олово, уран, титан, таллий, цирконий, лантан, церий.

Свойство веществ образовывать решётки разной фор­мы называют аллотропией; в переводе с греческого

Языка это слово означает «другой поворот», «другое свой­ство». Общеизвестна аллотропия у кристаллического углерода. Он может находиться в виде графита и в виде алмаза. Графит и алмаз построены из атомов углерода; отличие их только в строении кристаллической решётки. А какая огромная разница в свойствах! Графит - мягкий,

Непрозрачный минерал чёрного цвега, алмаз, напротив, прозрачен, бесцветен и твёрд.

Атомы в кристаллической решётке металлов располо­жены столь близко друг к другу, что их внешние элект­роны имеют возможность двигаться не только вокруг одного атома, а вокруг многих атомов. Следовательно, внешние электроны, распределяющиеся в металле равно­мерно, свободно перемещаются по всему куску металла, образуя своеобразный электронный газ.

Таким образом, любой металл представляет собой решётку из правильно располо­женных положительных ионов, заполнен­ную электронным газом. Высокая прочность ме­таллов и объясняется наличием электронного газа, кото­рый обволакивает все ионы, превращая металлический кристалл как бы в одно целое.

Ионы, находящиеся в определённых местах (узлах) кри­сталлической решётки, могут совершать, однако, движе­ние - колебание. В ненагретом металле колебания ионов замедлены, в нагретом - ионы испытывают сильное коле­бание. Чем выше температура, тем сильнее раскачи­ваются ионы. Наконец, наступает момент, когда силы взаимодействия уже не могут удержать ионы в узлах кристаллической решетки и она разрушается; металл из твёрдого состояния переходит в жидкое. Это и есть тем­пература плавления.

Если два расплавленных металла тщательно переме­шать, то после затвердевания получится сплав этих ме­таллов. Сплавы получаются и при сплавлении металла с неметаллом, например железа с углеродом, алюминия с кремнием и т. д. Свойства полученного сплава зависят не только от того, какие элементы входят в сплав, но и от внутреннего строения, или, как говорят, структуры сплава. Сплав является тоже кристаллическим телом.

Строение сплавов может быть различно. Составные части сплава могут образовать либо механическую смесь, либо твёрдый раствор, либо химиче­ское соединение. Но есть сплавы, в которых име­ются одновременно и механические смеси, и твёрдые рас­творы, и химические соединения.

Механическая смесь получается в том случае, когда составные части не взаимодействуют химически, а нахо­дятся в сплаве в виде самостоятельных мелких кристал­

Ликов. Их можно наблюдать при рассматривании отпо­лированной поверхности в микроскоп. Механические смеси образуются, например, при сплавлении свинца с сурьмой, висмута с кадмием и др.

Каждый знает раствор сахара или поваренной соли в иоде. Растворяя сахар или поваренную соль в воде, можно получить однородное вещество - жидкий раствор. В ста­кане воды можно растворить различное количество сахара

Оказывается, что подобные однородные системы переменного состава образуются и в твёрдых телах. Их называют твёрдыми растворами. В них атомы растворённого вещества и раство­рителя «рассеяны», перемешаны между собой. В кристаллической решётке вещества, являющегося растворителем, некоторые его атомы замещаются атомами растворённого вещества (рис. 4). Такие растворы называются твёр­дыми растворами замеще­ния. Их образуют при сплавле­нии, например, металлы медь и никель, железо и хром, зо­лото и медь, серебро и золото, медь и платина и др.

Замещение одних атомов другими в кристаллической решётке происходит в том случае, если атомы растворяе­мого металла близки по своим размерам атомам раство* рителя. Если разница в размерах атомов превышает 15%, твёрдый раствор замещения образоваться не может.

При очень большой разнице в размерах атомов обра­зуются твёрдые растворы внедрения. Они чаще всего получаются тогда, когда металл растворяет в себе неметаллические элементы, атомы которых значительно меньше атомов металла. Самым распространённым спла­вом, построенным по типу твёрдых растворов внедрения, является сплав железа с углеродом; этот сплав назы­вается сталью. При образовании твёрдого раствора внедрения атомы внедряющегося элемента располагаются
в промежутках кристаллической решётки между атомами растворителя. Кристаллическая решётка твёрдого рас­твора внедрения показана на рис. 5.

А много ли можно растворить одного металла в дру­гом? Неограниченная растворимость присуща далеко не всем металлам. В меди, например, может раствориться сколько угодно никеля, точно так же и в никеле можно растворить любое количество меди. Растворителем счи­тают тот металл, которого больше в сплаве по весу.

Многие металлы обладают ограниченной раст­воримостью. Например, в алюминии можно раство­рить не более 5,5% меди по весу. При большем количе­стве медь находится в спла­ве в виде отдельных нераст - ворённых частиц. Чем выше температура твёрдого раст­вора, тем больше меди мож­но растворить в алюминии (но не более 5,5%).При ох­лаждении этого сплава медь выделяется в виде мельчай­ших, очень твёрдых и хруп­ких частиц.

Какова природа этих ча­стиц? Оказывается - это не чистая медь, а её х и м и ч е - ское соединение с алюминием. Избыток меди в сплаве взаимодействует с алюминием химически. Кристаллики любого химического соединения в сплаве имеют вполне определённый состав. Так, например, при образовании химических соединений: железа с углеродом, называемого карбидом железа, три атома железа химически связаны с одним атомом углерода; алюминия с медью-два атома алюминия сое­динены с одним атомом меди. Для образования карбидов вольфрама или ванадия нужно, чтобы соотношение ато­мов этих металлов и атомов углерода было равно 1: 1, а в карбиде хрома 23 атома хрома взаимодействуют с ше­стью атомами углерода.

Кристаллические решётки химических соединений очень сложны. При сильном разогревании сплава кри­сталлы химических соединений могут растворяться в твёр-

Дом растворе сплава, а при снижении температуры нагре­вания образовываться вновь.

Сплавы, применяемые в технике, имеют сложный хи­мический состав. Высокопрочные стали, например, имеют в своем составе до десятка различных химических эле­ментов. Чем сложнее состав и строение сплава, тем раз­нообразнее его свойства.

Редкие металлы, вводимые в состав сталей и сплавов, улучшают их качество, коренным образом изменяют пер­воначальные свойства сплавов, так как они часто обра­зуют кристаллы химических соединений, упрочняющих твёрдый раствор.

Металлурги пользуются редкими металлами для того, чтобы выплавленные стали и сплавы были более прочны, более твёрды, обладали нужной пластичностью, упруго­стью, жароупорностью, химической" стойкостью и т. д. О том, какие это свойства и как они изменяются при до­бавке редких металлов, будет рассказано ниже.