Дальний и ближний порядок расположения атомов в сплавах

При совместной кристаллизации двух или более веществ они могут в некоторых случаях образовать общую кристаллическую решетку. Произойдет или нет образование такого смешанного кристалла — это зависит от соотношения энергии взаимодействия

однородных и разнородных частиц. Если однородные частицы притягиваются сильнее, чем разнородные, то смешанный кристалл не образуется.

Примером смешанных кристаллов являются металлические сплавы — вещества, имеющие широкое распространение в различных отраслях промышленности. Структура сплавов поможет отчетливо представить понятия дальнего и ближнего порядка.

Рис. 276.

В простейшем случае двухатомных сплавов мы можем столкнуться с вполне упорядоченными структурами, в которых можно выделить определенную ячейку и описать вещество как кристалл соединения, имеющего определенную формулу Однако такое положение дел не всегда имеет место, и в ряде случаев атомы А беспорядочно замещают атомы В в их решетке или беспорядочно внедряются (если они малы) между атомами В.

Мы остановимся лишь на примере сплава замещения железо — кобальт (рис. 276). Этот сплав имеет простую структуру объемно-центрированной решетки. Каждый атом — все равно, железа или кобальта, — имеет восемь ближайших соседей. В отношении взаимного расположения центров атомов кристалл сплава всегда вполне упорядочен — центры атомов образуют при всех условиях одну и ту же объемноцентрированную решетку. Иначе обстоит дело в отношении распределения атомов железа и кобальта по местам. Условно можно разбить узлы решетки кристалла на вершины и центры кубов. При полном порядке все вершины заняты, скажем, атомами железа, а все центры — атомами кобальта (рис. 276, а). Идеальный дальний порядок такого кристалла может постепенно портиться, если начнут появляться атомы, сидящие в «чужих местах». Однако до тех пор, пока число атомов, находящихся в «своих» местах, отлично от числа атомов, находящихся в «чужих» местах (рис. 276, б), мы имеем право говорить о наличии в кристалле хотя и «испорченного», частичного, но все же дальнего порядка. Дальний порядок исчезает тогда, когда стирается различие между «чужими» и «своими» местами: половина атомов находится в своих, а половина — в чужих местах (рис. 276, в).

Важным обстоятельством является то, что при нагревании кристалла, построенного вполне упорядоченным образом, порядок постепенно нарушается, т. е. процент атомов, сидящих в «чужих» местах, растет. Существует температура, выше которой дальний порядок, даже «испорченный», т. е. частичный, существовать не может. Эта температура называется лямбда-точкой (название греческой буквы X). Для сплава железо — кобальт -точка находится при Переход от порядка к беспорядку означает, что тепловое движение взяло верх над «стремлением» атомов располагаться с сохранением дальнего порядка.

Имеется много общего между процессом стирания различий между «чужими» и «своими» местами и процессом плавления. Оба эти процесса заключаются в исчезновении дальнего порядка. Однако при плавлении исчезает дальний порядок в расположении центров атомов, а при переходе через -точку — лишь порядок в расположении атомов различных элементов.

Основной же особенностью строения сплавов типа железо — кобальт является возможность существования частичного дальнего порядка. Такой частичный дальний порядок может существовать только в отношении распределения атомов железа или кобальта, но не в отношении расположения центров атомов.

Так же как и в случае плавления, уничтожение дальнего порядка не означает исчезновения порядка вообще — ближний порядок остается.

Ближний порядок в отношении распределения атомов у кристаллов железо — кобальт заключается в «стремлении» атомов кобальта окружить себя атомами железа (и наоборот). Если взять любой атом и перечислить его восемь ближайших соседей, то окажется, что число атомов другого элемента не будет равно половине общего числа, т. е. четырем. В зависимости от совершенства ближнего порядка атом железа может быть в среднем окружен пятью, шестью или семью атомами кобальта.

Исследования сплава меди с золотом показали, что ближний порядок в нем весьма совершенный и сказывается не только на числе ближайших соседей, но и на числе ближайших к ближайшим и т. д. Если провести ряд сфер около любого атома золота, то окажется, что в первой сфере будут находиться практически лишь одни атомы меди, во второй — лишь одни атомы золота. Далее совершенство ближнего порядка начнет постепенно нарушаться, но будет чувствоваться предпочтение к атомам определенного элемента даже на десятой сфере!

Очень тонкими исследованиями, производимыми при помощи рентгеновских лучей, удалось показать, как происходит «рождение» дальнего порядка в кристаллах сплавов. Опыты на сплавах кобальт — платина показали, что области дальнего порядка растут в беспорядочном кристалле, как зародыши кристалла растут в жидкости. Эти зародышевые области располагаются вполне определенным образом по отношению к осям кристалла.

 

 

11)Физ-е методы исследования кристаллизации сплавов

1 Термический анализ-основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождается тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Данный метод позволяет определить критические точки.

2) Дилатометрический метод

При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров- тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергий колебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращения изменения размеров – необратимы.

Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.

3.Магнитный анализ.

Используется для исследования процессов, связанных с переходом из паромагнитного состояния в ферромагнитные (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.

 

21) Меры борьбы с неметаллическими включениями в стали определяются созданием условий, уменьшающих возможность их попадания в металл. Так, хорошее раскисление, полное расплавление добавок и достаточная выдержка металла в печи уменьшают количество неметаллич. включений 1-й группы, тщат. подготовка печи, ковша и изложницы и хорошее качество огнеупоров уменьшают количество включений 2-й группы. Достаточная жид- котекучесть металла и шлака и состав шлака увеличивают чистоту металла по неметаллич. включениям 3-й группы. Достаточная выдержка металла в печи и ковше перед разливкой является одним из способов уменьшения количества включений 4-й группы. Особенно эффективным является вакуумирование жидкого металла перед разливкой.

По условиям возникновения и попадания в сталь неметаллич. включения разделяются на 4 группы: 1) продукты раскисления жидкого металла (закись марганца, глинозем, окись титана, а при плохом раскислении — закись железа, окислы хрома и др.). Эти окислы могут находиться в комплексных соединениях как между собой, так и со шлакообразующими материалами; 2) частицы огнеупорных материалов как следствие разъедания жидким металлом футеровки печи, желоба, ковша, прибыльных надставок и т. п.; 3) частицы шлака (tfiFe0-AiSi02 или raFeO-raCaO и др.) и сернистых соединений (FeS, MnS), захваченные жидким металлом при выпуске из печи; 4) продукты реакций, протекающих при диффузии различных газов в металле (нитриды алюминия или титана).

 

31)
Диаграммы состояния- называется граф.изображения, показывающ. В условиях равноновесия фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от от температуры и концетрации.

Диаграммы состояния в сжатой и наглядной форме дают картину изменения строения и свойств сплава, при изменении его концентрации и температуры одной диаграммой можно заменить множество записей и кривых охлаждения.

Диаграммы состояния представляют собой график в координатах состав сплава — температура, на котором отражены продукты, образующиеся в результате взаимодействия компонентов сплава друг с другом в условиях термодинамического равновесия при различных температурах. Этими продуктами являются вещества, имеющие в зависимости от температуры и состава определенное агрегатное состояние, специфический характер строения и вполне определенные свойства. Их принято называть фазами. Причем фазой считается определенная часть системы, образованной компонентами сплава, которая во всех своих точках имеет одинаковые состав, строение и свойства.  

 

41) Усадочными раковинами называют открытые или закрытые полости в теле отливки, имеющие шероховатую глубокую кристаллическую поверхность со следами дендритов. Усадочная пористость представляет собой мелкие полости, расположенные между дендритами сплава по всему объему отливки или в ее центральных частях. Усадочные раковины в отличие от усадочной пористости имеют сравнительно большие размеры. Открытые усадочные раковины бывают окислены.

Усадочные раковины обычно образуются в утолщенных местах отливки, которые затвердевают в последнюю очередь. Как правило, за счет ликвации при затвердевании отливки металл в усадочной раковине имеет повышенное содержание серы и фосфора.

Все металлы при нагреве увеличиваются в объеме, а при охлаждении, наоборот, сокращаются. Следовательно, объем жидкого металла в форме всегда больше объема металла затвердевшей отливки. Сокращение объема и линейных размеров отливки в форме при остывании называется усадкой. Процесс усадки сплава в форме можно разбить на три стадии: усадка жидкого расплава до достижения им температуры начала затвердевания; усадка сплава в период перехода его из жидкого состояния в твердое; усадка сплава в твердом состоянии.

Значительное влияние на образование усадочных дефектов оказывает химический состав сплава. Так, увеличение содержания углерода в доэвтектическом чугуне приводит к заметному уменьшению объема усадочных раковин за счет увеличения в нем количества выделяющегося при кристаллизации графита. Чем выше содержание углерода в чугуне, тем меньше в отливках усадочной пористости и больше концентрированных усадочных раковин.

 

пористость

При затвердевании жидкого сплава в таких условиях в изолированном пространстве образуются мелкие усадочные раковины — норы. К концу затвердевания центральной части отливки количество изолированных участков жидкого металла и, следовательно, пор весьма велико. Скопление мелких усадочных раковин и называют усадочной пористостью. Часто усадочная пористость располагается под концентрированной усадочной раковиной, являясь как бы ее продолжением.

В некоторых случаях, например при очень медленном охлаждении металла в форме, пористая зона может распространяться

практически на все сечение стальной отливки. При этом образуется так называемая рассеянная пористость. При неравномерной толщине стенок отливки в тонких стенках может возникнуть осевая пористость, а и тепловых узлах —- местная пористость.

Пористость отливок уменьшается при выделении в чугуне мелкого графита и увеличивается при выделении его в виде грубых пластин. Влияние кремния на возникновение усадочных дефектов зависит от влияния его на процесс образования в чугуне графита. При повышении степени графитизации объем усадочных раковин уменьшается. Вместе с тем отмечено, что плотность и герметичность чугунных отливок повышается с уменьшением содержания углерода и кремния вследствие измельчения выделений графита. Марганец и сера, понижая степень графитизации, увеличивают объем усадочных раковин в чугуне.

Таким образом, влияние легирующих элементов на количество усадочных дефектов в чугуне связано в основном с их влиянием на процесс графитизации. Особенно большое развитие усадочные раковины получают при полном торможении графитизации, когда чугун затвердевает белым. Поэтому введение элементов (медь, никель и др.), способствующих графитизации, может привести к уменьшению объема усадочных раковин.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: