Моно- и поликристаллы. Строение механического слитка.

Твердые тела (кристаллы) характеризуются наличием значительных сил межмолекулярного взаимодействия и сохраняют постоянными не только свой объем, но и форму. Кристаллы имеют правильную геометрическую форму, которая, как показали рент­генографические исследования немецкого физика-теоретика М. Лауэ (1879—1960), является результатом упорядоченного расположения частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих кристалл. Структура, для которой характерно регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется кристаллической решеткой. Точки, в которых расположены частицы, а точнее — средние равновес­ные положения, около которых частицы совершают колебания, называются узлами кристаллической решетки.

Кристаллические тела можно разделить на две группы: монокристаллы и поли­кристаллы. Монокристаллы — твердые тела, частицы которых образуют единую кри­сталлическую решетку. Кристаллическая структура монокристаллов обнаруживается по их внешней форме. Хотя внешняя форма монокристаллов одного типа может быть различной, но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными. Это закон постоянства углов, сформулированный М. В. Ломоносовым. Он сделал важный вывод, что правильная форма кристаллов связана с закономерным размещением частиц, образующих кристалл. Монокристаллами являются большинство минералов. Однако крупные природные монокристаллы встречаются довольно редко (например, лед, поваренная соль, исландский шпат). В настоящее время многие монокристаллы выращиваются искусственно. Условия роста крупных монокристаллов (чистый раствор, медленное охлаждение и т. д.) часто не выдерживаются, поэтому большинство твердых тел имеет мелкокристаллическую структуру, т. е. состоит из множества беспорядочно ориентированных мелких кристаллических зерен. Такие твердые тела называются поликристаллами (многие горные породы, металлы и сплавы).

Характерной особенностью монокристаллов является их анизотропность, т. е. зависимость физических свойств — упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических — от направления. Анизотропия монокристаллов объясняется тем, что в кристаллической решетке различно число частиц, приходящихся на одинаковые по длине, но разные по направлению отрезки (рис. 102), т. е. плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям неодинакова, что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений. В поликристаллах анизотропия наблюдается только для отдельных мелких кристалликов, но их различная ориентация приводит к тому, что свойства поликристалла по всем направлениям в среднем одинаковы.

Строение механического слитка.

15.Методы изучения строения металлов: микро- и макроанализ, рентгеновский анализ, магнитный метод, ультразвуковой метод.

Структурой называют строение металлов и сплавов в виде мелких обособленных частиц, имеющих форму зерен, дендритов, пластинок или других характерных составляющих. Многие свойства металлов и сплавов (например, прочность, пластичность) зависят от структуры материалов.Различают макро- и микроструктуру металлов и сплавов: Макроструктура - строение металлов или сплавов, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении под микроскопом до 40 раз. Микроструктура - строение металлов или сплавов, видимое с помощью металлографического микроскопа. Назначение макроструктуры. Макроструктуру изучают двумя способами: по излому образца или на макро-шлифах.Излом образцов - наиболее простой способ исследования структуры металлов и сплавов. По излому обычно определяют крупность зерна и взаимное расположение дендритов в металлах и сплавах. Как правило, чем крупнее зерно, тем ниже механические свойства металлов.Макрошлиф-специальный образец, который изготовляют следующим образом.Из крупной поковки заготовки или слитка вырезают образец в виде пластины (темплет). Затем одну из плоскостей шлифуют и полируют на станках. После чего отполированную поверхность подвергают травлению специальными реактивами, которые по-разному вступают в химическое взаимодействие с каждой структурной составляющей металла.

В результате испытания каждая структурная составляющая имеет определенный оттенок черно-белого цвета. По этим оттенкам определяют форму и расположение зерен и дендритов в структуре отливок, волокон или деформированных зерен в поковках и прокате. Кроме того, можно увидеть невидимые невооружейным глазом дефекты, возникающие при технологической обработке изделия, - трещины, запутавшиеся в металле пузырьки воздуха или другого газа, всевозможные неметаллические включения, химическую неоднородность сплава.Изучение микроструктуры.Для изучения микроструктуры изготовляют металлографический шлиф, представляющий собой образец материала произвольной металлографический формы, плоскосмть сечения которого шлиф, находится в пределах от 2 до 6 см2. Образец вырезают холодным способом из заготовки, поковки или детали. Одну из плоскостей микрошлифа шлифуют, затем полируют до зеркальной поверхности. Отполированный шлиф промывают, сушат и обезжиривают. Подготовленный микрошлиф рассматривают с помощью металлографического микроскопа, дающего увеличение до 2000 раз, и определяют неметаллические включения, мелкие трещины.Чтобы выяснить микроструктуру, обезжиренный шлиф подвергают травлению специальными реактивами, действие и назначение которых такое же, как и при изучении макроструктуры. В качестве реактива применяют: для углеродистых сталей и чугунов - 4%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте, для медных сплавов--8%-ный аммиачный раствор хлористого кальция, для алюминиевых сплавов - 0, 5%-ный водный раствор фтористой кислоты.После травления структуру шлифа рассматривают с помощью металлографического микроскопа. Лучи света от электрической лампы накаливания 4 через призму 3 направляются в увеличительную сменяемую линзу, называемую объективом 2. Проходя через объектив, лучи света направляются под некоторым углом к обработанной поверхности шлифа 1, отражаются от нее под тем же углом, еще раз проходят через объектив, в результате чего получается увеличенное изображение.После объектива лучи света проходят через вторую призму 5 и через увеличительную сменную линзу, называемую окуляром 6, в которую непосредственно наблюдается структура. От оптических параметров объектива и окуляра зависит увеличение микроскопа. Меняя объективы и окуляры, выбирают необходимое увеличение микроскопа.Наряду с металлографическим применяют электронный микроскоп, который дает увеличение до 100 ООО раз и более.Рентгеновский анализ применяется в промышленности для изучения кристаллического строения металлов и выявления в них внутренних пороков.

У рентгеновских лучей длина волны в 10 000 раз меньше световых, что позволяет им глубоко проникать внутрь непрозрачных тел и отражаться от атомов. Это позволяет выявить их расположение в пространстве, т. е. установить тип пространственной решетки. Длина волны рентгеновских лучей того же порядка, как и параметр кристаллической решетки металлов (0, 1—10 Å).

Рентгеновское просвечивание применяется для контроля литых, сварных, катаных, штампованных, кованых и других деталей с целью выявления внутренних дефектов, раковин, непроваров, трещин, неметаллических включений. Современные аппараты могут просвечивать стальные детали толщиной

80—100 мм и детали из алюминиевых сплавов толщиной до 300—400 мм. Для глубокого просвечивания применяют в настоящее время гамма-лучи, у которых длина волны 10-11 см.Источником излучения этих лучей является пушка, заряженная ампулой, содержащей радиоактивное вещество (обычно смесь радия и 34% мезатория). Срок службы такой ампулы около 60 лет.

Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (стали, никеле и др.) на глубине до 2 мм (непровар в сварных швах, трещины и т. д.).

С помощью ультразвукового метода (ультразвуковая дефектоскопия) выявляют дефекты, расположенные глубоко в толще металла. Для этого используются ультразвуковые дефектоскопы, с помощью которых через толщу металла пропускают пучок ультразвуковых волн и контролируют их прохождение. Любая несплошность металла нарушает нормальное распространение волн, что можно увидеть на экране имеющегося в приборе осциллографа.

Физические и химические свойства металлов. Цвет, плотность металла, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропро-водность. Магнитные свойства.

. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАФизические свойства. К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий - серебристо-белый.Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м3) и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стремятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.
Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416°С, тантал 2950°С, титан 1725°С, и др.) и легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419, 5°С, алюминий 660°С). Температура плавления имеет большое значение при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).Теплопроводностью называют способность металлов передавать тепло от более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро, медь, алюминии обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для деталей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образуются трещины. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с хорошей теплопроводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/(м∙ К).Тепловым расширением называют способность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаждении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения α =(l2-l1)/[l1(t2-t1)], где l1 и l2длины тела при температурах t1 и t2. Коэффициент объемного расширения равен 3α. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, укладке железнодорожных рельс.
Теплоемкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеет размерность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемкости - количеству тепла, выраженному в больших калориях, которое требуется для повышения температуры 1 кг металла на 1°С (в единицах СИ - Дж/(кг∙ К).Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя взаимно противоположными характеристиками -электропроводностью и электросопротивлением. Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), а удельная электропроводность - в Cм/м, аналогично электросопротивление выражают в омах (Ом), а удельное электросопротивление — в Ом/м. Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (медь, алюминий). При изготовлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением - увеличивается.Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В единицах СИ магнитная постоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.
Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды называют коррозией.Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур.Сопротивление металлов коррозии, окалинообразованию и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.