Кристаллическое строение металлов и сплавов

И.В. Боткин

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ для студентов

направлений 15.03.02, 15.03.05, 23.03.03, 27.03.02

и специальностей 17.05.01, 18.05.01, 24.05.02

Бийск 2014

УДК

Боткин И.В. Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ для студентов  направлений 15.03.02, 15.03.05, 23.03.03, 27.03.02 и специальностей 17.05.01, 18.05.01, 24.05.02.

     Алт. гос. тех. ун-т, БТИ, - Бийск

     Из-во Алт. гос. техн. ун-та, 2014. – 146 с.

     Методические указания предназначены для студентов, изучающих курс «Материаловедение».

     В указаниях к восьми четырехчасовым лабораторным работам изложены сведения об атомно-кристаллической структуре металла, сущности процесса кристаллизации и кристаллического строения стального слитка. Приводятся сведения об основных методах макро- и микроанализа. Даются методы анализа диаграммы состояния сплавов и основные правила, которыми пользуются при изучении диаграмм состояния; приведены закономерности формирования структур сталей и их свойств в зависимости от концентрации углерода и легирующих элементов. Приводится классификация видов термической обработки, поясняется влияние закалки и отпуска на структуру и свойства углеродистых сталей. Даются необходимые определения, касающиеся цветных сплавов, рассматриваются микроструктуры и свойства важнейших технических материалов на базе цветных металлов.

     Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры                      «Металлорежущие станки и инструменты».

     Протокол № ___от «___» «________________» 20__ г.

Рецензент: к.т.н., начальник отдела ОАО «ФНПЦ «Алтай» Беляев В.Н.

©БТИ АлтГТУ, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лабораторная работа №1. Изучение процесса кристаллизации. Затвердевание капли раствора азотнокислого свинца........................................................................ 4

Лабораторная работа №2.ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ МЕТОДАМИ МАКРОАНАЛИЗА 27

Лабораторная работа №3.ОСНОВЫ МИКРОАНАЛИЗА...... 39

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4.ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Fe – Fe₃C. 52

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ. 73

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6.ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ И СТРУКТУР ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ. 86

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7. ВЛИЯНИЕ ЗАКАЛКИ И ОТПУСКА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ.............................................................................................................. 97

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ 111

Общие правила к оформлению работы........................ 128

Список использованных источников.......................... 129

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................................ 130

ПРИЛОЖЕНИЕ Б........................................................................................ 136

ПРИЛОЖЕНИЕ В........................................................................................ 139

ПРИЛОЖЕНИЕ Г........................................................................................ 141

Лабораторная работа №1. Изучение процесса кристаллизации. Затвердевание капли раствора азотнокислого свинца

Цель работы

Данная работа предполагает:

· закрепление, углубление и расширение знаний студентов об атомно-кристаллической структуре металла, сущности процесса кристаллизации и кристаллического строения стального слитка;

· приобретение умений и навыков использования технических средств (биологический микроскоп) при изучении процесса кристаллизации на примере затвердевания капли раствора азотнокислого свинца.

Предмет и содержание работы

Кристаллическое строение металлов и сплавов

Металлы обладают ярко выраженными специфическими свойствами: вы­сокой электро- и теплопроводностью, непрозрачностью, металлическим блеском, сочетанием высокой прочности и пластичности. Характерным свойством металлов является увеличение их электросопротивления с по­вышением температуры. Все специфические свойства металлов обуслов­лены атомным строением и типом связи между атомами.

Для металла характерно наличие атомно-кристаллической структуры, под которой понимают взаимное расположение атомов (ионов), расположен­ных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Типичным атомным строением металлов является наличие малого ко­личества валентных электронов на внешней электронной оболочке. Ва­лентные электроны слабо связаны с ядром, поэтому под воздействием внешних сил при затрате сравнительно небольшой энергии они могут по­кинуть свои орбиты. Чем меньше электронов находится на внешней обо­лочке, тем меньше необходимо затратить энергии для полного освобожде­ния электрона от связи с ядром атома.

У большинства элементов периодической таблицы заполнение элек­тронами новой квантовой оболочки начинается только после того, как пол­ностью заполнится предыдущая квантовая оболочка. Однако, в таблице Д. И. Менделеева имеется группа элементов, у которых на наружной кванто­вой оболочке имеется один или два электрона при не полностью заполненной элек­тронами внутренней квантовой оболочке. Такие элементы называются пе­реходными металлами. К ним относятся титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель и др. Их свойства, такие как парамагнетизм, ферромагнетизм (железа, кобальта, никеля), способность образовывать со­единения с углеродом (карбиды) и др., существенно зависят от степени за­полнения электронами внутренних квантовых оболочек.

Одним из основополагающих моментов в процессе кристаллизации яв­ляется тип существующей межатомной связи.

При сближении изолированных атомов внешние электронные оболочки начинают перекрываться и взаимодействовать между собой, в результате чего они изменяют свое строение. В зависимости от характера изменения строения валентных электронных оболочек различают четыре основных типа связи между атомами: ионную (гетерополярную), ковалентную (го­меополярную), полярную (связь Ван-дер-Ваальса) и металлическую.

Характерной особенностью ионной, ковалентной и полярной связей явля­ется наличие направленных сил связи между отдельными атомами. При направленной связи каждый атом объединяется только с определенными атомами.

Металлический тип связи осуществляется между атомами (в жидких и твердых металлах), когда число валентных электронов в атоме мало. В этом случае свободных электронных оболочек имеется значительно больше, чем электронов для их заполнения. Поэтому при перекрытии внешних электронных оболочек электроны отрываются от своих атомов и свободно перемещаются в различных направлениях по незанятым элек­тронным оболочкам между положительно ионизированными атомами (ио­нами), образуя вокруг них свободный, так называемый, электронный газ. Между положительными ионами и свободным электронным газом возни­кают силы электростатического взаимопритяжения, которые и обуславли­вают металлический тип связи между атомами.

В отличие от других межатомных связей металлический тип характеризу­ется отсутствием направленных сил связи между атомами. Поэтому сме­щение атомов друг относительно друга под воздействием внешних сил не приводит к уничтожению межатомных сил связи, так как наличие свобод­ного электронного газа обеспечивает межатомную связь и в новом поло­жении атомов. Следовательно, отсутствием направленных связей между атомами объясняется высокая пластичность металлов и металлических сплавов.

При наличии направленных сил связей смещение атомов друг относи­тельно друга под воздействием внешних сил приводит к уничтожению связи между атомами, т.е. к разрушению без пластической деформации. Наличие свободных электронов и электронных оболочек обуславливает также высокую электротеплопроводность металлов и металлических спла­вов.

Все металлы и металлические сплавы являются телами кристалличе­скими. В отличие от аморфных тел в кристаллическом теле атомы (также положительные ионы) располагаются в строго определенном порядке и в пространстве образуют так называемую кристаллическую решетку. Атомы в кристаллической решетке стремятся расположиться по возможности плотнее (ближе) друг к другу. Каждый атом в кристаллической решетке находится в одинаковом окружении, т.е. имеет вокруг себя одинаковое ко­личество атомов, находящихся на равном расстоянии.

Металлический тип связи, отсутствие направленных связей между ато­мами и возможность каждого атома в кристаллической решетке находиться в тесном контакте со всеми окружающими его ближайшими соседними атомами позволяют у металлов получать наиболее плотное расположение атомов в кристаллической решетке. Переход электронов от одного атома к другому осуществляется тем реже, чем плотнее атомы прилегают друг к другу.

Согласно электронной теории строения металлов отметим, что различные составляющие энергии кристалла, связанного силами ме­таллической связи, можно записать в виде выражения:

(1)

где W - атомный объем (объем, приходящийся на один атом).

Первый член этого выражения представляет собой потенциальную энергию сво­бодных электронов, второй член - их кинетическую энергию, а третий член - кинетическую энергию электронов, занимающих более низкие энергетические состояния. Сумма этих трех составляющих дает результи­рующую кривую распределения энергии, представленную на рисунке 1, где минимум энергии соответствует линейному размеру r_o, который можно рассматривать как атомный радиус, соответствующий следующему равенству: (4/3)pr_o³ = W.

Энергия DЕ представляет собой работу, необходимую для того, чтобы перевести металлический кристалл в газ из положительно заряженных ио­нов.

Металлический тип связи, возникающий между положительно заря­женными ионами и валентными (отрицательно заряженными) электронами, обуславливает появление сил, удерживающих атомы (ионы, молекулы) в узлах кристаллической решетки на определенном расстоянии друг от друга. Эти силы складываются из сил притяжения и отталкивания. Равно­весному состоянию соответствует такое состояние, когда суммарная энер­гия взаимодействия сил притяжения и отталкивания является минималь­ной. В этом случае расстояние между атомами (ионами) одинаково и атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку/

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую про­странственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), обра­зующие твердое кристаллическое тело, в данном случае металл. Наименьший объём кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объёме, получил название элементарной кри­сталлической решетки (ячейки). Другими словами, под элементарной кристаллической решеткой подразумевается комплекс атомов, который при своем многократном повторении в пространстве позволяет воспроизводить пространственную кристаллическую решётку.

Рисунок 1 – Зависимость полной энергии металла от межатомного расстояния

Метод изображения кристаллической решетки в виде различных мно­гогранников является условным. Более правильным является представле­ние атомов в кристаллической решетке в виде соприкасающихся шаров, рисунок 2.

Строение и свойства кристаллических решеток характеризуется сле­дующими параметрами:

1) периодом решетки «а». Периодом решетки называется расстояние между центрами соседних атомов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Период решетки принято измерять в ангстремах или нанометрах (1 нм = 10^{-9 см = 0,1 );}

2) координационным числом, показывающим, сколько атомов нахо­дится на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома. Координационное число характеризует взаимную связь атомов друг от друга;

3) базисом кристаллической решетки, то есть числом атомов, приходя­щихся на одну элементарную ячейку. Базис характеризует плотность ре­шетки.

а	б
в
а - объемно-центрированная кубическая (о.ц.к); б - гранецентрирован­ная кубическая (г.ц.к); в - гексагональная плотноупакованная (г.п.у).
Рисунок 2 – Элементарные кристаллические решетки металлов и схемы упаковки атомов.

В каждой решетке, кроме объема, занимаемого атомами, остается еще свободное пространство (пустота). Отношение объема, занимаемого ато­мами, ко всему объему решетки называется коэффициентом компактности. Чем больше коэффициент компактности, тем теснее уложены атомы в ре­шетке (больше плотность) и тем легче будет осуществляться связь в ре­шетке между атомами, то есть легче осуществляется переход валентных электронов от одного атома к другому.

Большинство металлов и сплавов кристаллизуется с образованием од­ной из следующих элементарных кристаллических решеток: объёмно-центрированной кубической, гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной, рисунок 2.

Кубическая объёмно-центрированная решётка (К8), с координаци­онным числом 8 и базисом, равным двум атомам. В ней каждый атом, находя­щийся в вершине куба, принадлежит одновременно 8 ячейкам. Атом, нахо­дящийся внутри кристаллической решётки, принадлежит только одной элементарной ячейке. Таким образом, только (1/8)×8+1=2 атома на каждую объемно-центрированную решетку. Кубическая решетка определяется од­ним периодом - длиной ребра куба «а», которая колеблется от 2,68 до 6,07 . Наименьшее расстояние между атомами, выраженное через период решетки «а», равно . Коэффициент компактности 0,68 или 68 %. Решетку К8 имеют металлы: Fe_α; Mo; W; V; Cr; Nb; Ti_b; Ta; Li; Na и др.

Кубическая гранецентрированная решетка (К12) с координацион­ным числом 12 и базисом, равным 4 атомам (1/8)×8 = 1 атом от числа ато­мов, расположенных в вершинах куба (1/2)×6 = 3 атомам от числа атомов, находящихся в центре граней куба. Наименьшее расстояние между ато­мами, выраженное через период решетки «а», равно . Коэффици­ент компактности 0,74 или 74 %. Решётку К12 имеют металлы: Fe_g; Cu; Ni; Al; Co_b; Pt; Ag; Au и др.

Гексагональная плотноупакованная решётка (Г12), которую опреде­ляют два периода «с» и «а». Период «а» колеблется от 2,28 до 3,38 , пе­риод «с» от 3,57 до 6,52 . Решётка Г12 характеризуется отношением периодов ре­шетки с/а. Если это отношение равно или близко к 1,633, то получим гекса­гональную плотноупакованную решётку с координационным числом 12 и базисом, равным 6 атомам (1/6)×12 = 2 атомам от числа атомов, располо­женных в вершинах шестигранника, (1/2)×2 = 1 атом от числа атомов, на­ходящихся в центре шестигранника, плюс 3 атома, имеющихся внутри кристаллической ячейки. Коэффициент компактности 0,74 или 74 %. Решётку Г12 имеют металлы: Ti_a; Co_a; Be; Mg; Rn; Re; Os.

Если отношение с/а будет сильно отличаться от величины 1,633, то по­лучим гексагональную не плотноупакованную решетку с координацион­ным числом 6 и коэффициентом компактности 0,5 или 50 %. Обозначается она индексом Г6. Такую решетку имеет цинк, кадмий, ртуть, графит.

Правильное расположение атомов в монокристаллах обуславливает не­одинаковую плотность заполнения атомами различных кристаллографи­ческих плоскостей и направлений. Многие свойства зависят от выбранного направления вырезки образца по отношению к направлениям в решетке, то есть то того, насколько плотно располагаются атомы в направлении, вдоль которого ведется измерение. Подобная неоднородность свойств монокри­сталла в разных кристаллографических направлениях называется анизо­тропией.

Аморфные тела (стекло, пластмассы и др.), свойства которых не зави­сят от направлений, называют изотропными.

Реальные металлы и сплавы состоят не из одного монокристалла, а из большего числа кристаллов, различно ориентированных в пространстве. Такое тело называется поликристаллическим. Кристаллы поликристалли­ческого тела, имеющие неправильную форму, носят название зерен или кристаллитов. Несмотря на внутренние дефекты отдельных зерен, каждое из них обладает свойством анизотропии. Свойства реальных поликристал­лических тел, вследствие произвольного расположения каждого из зерен, будут в различных направлениях примерно одинаковыми. Это явление на­зывается квазиизотропией (ложной изотропией).