МЕТАЛЛЫ. ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ Презентация по предмету «Основы материаловедения» Преподаватель Симакова Е.Г.

МЕТАЛЛЫ Металлы (от греческого металлов – копи, рудники, а не буквально – «добытое из земли») – вещества неорганического происхождения, многие из которых обладают характерным блеском, высокой плотностью, прочностью и твердостью, пластичностью, хорошей электро- и теплопроводностью. К металлам относят также их сплавы, имеющие по свойствам много общего с металлами.

ПОЛОЖЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ПСХЭ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА Металлы в ПС составляют 80% от всех элементов. Они находятся в 1-3 группах главных подгруппах и в побочных подгруппах всех восьми групп.

ЗАПАСЫ МЕТАЛЛОВ НА НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ Алюминий 8; Железо 5; Магний 2; Титан 0,6; Медь 0,01; Никель 0,01; Олово 0,004; Цинк 0,004; Олово 0,004; Цинк 0,004; Свинец 0,0016; Серебро 0,00001; Свинец 0,0016; Серебро 0,00001; Золото 0, ; Платина 0, (В ПРОЦЕНТАХ)

У металлов на наружных оболочках расположены один – три электрона, у неметаллов много электронов пять – восемь. При соединении металлы отдают свои электроны не- металлическим материалам, заряжаясь положительно. Неметаллы заряжаются отрицательно.

КЛАССИФИКАИЯ МЕТАЛЛОВ Все металлы можно разделить на две большие группы - черные и цветные металлы. ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ чаще всего имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочно-земельных), высокую тем ȇ натуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ Железные металлы Тугоплавкие металлы Урановые металлы Редкоземельные металлы (РЗМ) Щелочноземельные металлы ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ Легкие и тяжёлые металлы Благородные металлы Легкоплавкие металлы

ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ ЖЕЛЕЗНЫЕ МЕТАЛЛЫ железо, кобальт, никель и близкий к ним по свойствам марганец. Применяют как добавки к сплавам железа, в качестве основы для сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали. ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc (технеций), Hf (гафний), Ta(тантал), W, Re (рений), температура плавле-ния котоыҳ выше, чем железа (т.е. выше 1539). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов

ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ Урановые металлы Ас (актиний), Th (торий), U(уран), Np (нептуний), Pu (плутоний), Bk (берклий), Cf (калифорний), Md (менделевий), No (нобелий). Актиниды, преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики. Редкоземельные металлы (РЗМ) La (лантан), Ce (церий), Nd (неодим), Sm (сценарий), Eu (европий), Dy (диспрозий), Lu (лютеций), Y (иттрий), Sc (сландий)- лантаноиды. Применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и трудно разделимы на отдельные элементы.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ Легкие металлы Легкие металлы – Ве (бериллий), Mg (магний), Al (алюминий), обладающие малой плотностью. Благородные металлы Благородные металлы – Ag (серебро), Pt (платина), Au (золото), Pd (палладий), Os (осмий), Ir (иридий). Сu - полу благородный металл. Обладают высокой устойчивостью против коррозии. Легкоплавкие металлы Легкоплавкие металлы – Zn (цинк), Cd (кадмий), Hg (ртуть), Sn (олово), Bi (висмут), Sb (сурьма), Pb (свинец), As (мышьяк), In (индий), и элементы с ослабленными металлическими свойствами - Ga(галий), Ge(германий)

ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ Энергетические условия первичной кристаллизации : при переходе из жидкого состояние в твёрдое при данной температуре более устойчивым будет то, в котором металл имеет свободную энергию. СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИЕЙ называется часть внутренней энергии вещества, уменьшение которой приводит металл в более равновесное состояние.

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется первичной кристаллизацией Процесс кристаллизации происходит в два этапа: зарождение центров кристаллизации (зародышей); р ост кристаллов вокруг центров.

ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ (ЭТАПЫ)

Центрами кристаллизации могут быть группы элементарных кристаллических решеток, неметаллические включения и тугоплавкие примеси. Кристаллизация сплава обычно начинается от стенок формы (изложницы) Процесс разливки стали (сплава железа с углеродом) в изложницы

С наибольшей скоростью кристаллы растут в направлении, противоположном отводу теплоты, т. е. перпендикулярно к стенке формы.

Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов: чем больше число образующихся зародышей и скорость их роста, тем быстрее протекает процесс кристаллизации

СХЕМА СТРОЕНИЯ СЛИТКА Мелкие зерна – первич-ные кристаллы, образующиеся у стенок изложницы Вытянутые столбчатые кристаллы Равноосные кристаллы – образовались в результате длительного перехода расплава в твердое состояние Усадочная раковина

В зоне мелких кристаллов металл наиболее плотен, в зоне столбчатых кристаллов металл так же плотен, содержит мало раковин, газовых пузырей, однако в стыках кристаллов имеет пониженную прочность. В слитках, особенно легированных сталей, может встречаться транскристаллизация, когда дендриты кристаллов вырастают на всю длину радиуса.

Транскристаллизация зависит от химического состава сплава, перегрева, сечения слитка, температуры стенок изложниц. Усадочная раковина образуется за счет разности удельных весов жидкого и твердого металла, высокой температуры, наличия газов и неметаллических включений.

Чем больше переохлаждение, тем меньше зерно. В крупных изделиях очень трудно получить мелкое зерно. Чем выше скорость кристаллизации, тем металл менее прочен. Зерно – э то кристалл неправильной формы. Мелкое зерно прочное, крупное зерно хрупкое. Кристаллы могут иметь форму дендрита. Дендрит – – – – кристалл древовидной формы.

Если при кристаллизации рост решеток не ограничивается, то получаются кристаллы неограниченного размера древовидной формы дендриты Так как процесс кристаллизации происходит из многих центров кристаллизации, то ветви дендритов при росте могут ограничивать друг друга и искажаться.

ЛИКВАЦИЯ – это неоднородность свойств и строения в сечении материалов. Причиной ликвации является образование разного состава кристалла. Разное количество примесей – серы, фосфора, углерода. Сера вызывает красноломкость, в процессе прокатки сталь расслаивается, разъезжается. Сера склонна к ликвации. Борьба с красноломкостью: поднимается температура за счёт добавления в сталь марганца (FeMn).

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ И МЕТАЛЛОВ химический метод анализа; спектральный метод; рентгеноспектральный анализ элементов; проба на искру.

МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Изучает структуру невооруженным глазом или с увеличением в 5–30 раз с помощью бинокулярных луп. Изучает изломы деталей, сварных швов, можно определить способ изготовления детали, размер зерна, наличие ликвации, газовых и усадочных раковин, трещин.

МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Микроструктура изучается с помощью металлографических и электронных микроскопов с увеличением в миллион крат и более. Микроанализ позволяет определить форму и размер кристаллических зерен в металле, неметаллические включения, определять химический состав некоторых структурных составляющих по их характерной форме. Микроанализ позволяет определить форму и размер кристаллических зерен в металле, неметаллические включения, определять химический состав некоторых структурных составляющих по их характерной форме.

РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ Метод основан на явлении отражения рентгеновских лучей с короткой волной от атомов в кристаллической решетке. Он даёт информацию о форме и размерах элементарной ячейки кристалла, о влиянии легирующих элементов на параметры кристаллической решетки.

МЕТОД РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ МЕТОД РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ (меченых атомов ) Применяют для изучения однородного сплава, процессов диффузии химических элементов. Применяют для изучения однородного сплава, процессов диффузии химических элементов. Введение радиоактивного углерода в сплав будет испускать γ- излучения (электромагнитные волны типа рентгеновских лучей). Излучение будет фиксироваться счетчиками или на фотографической пластине, по которому можно судить о строении сплава. Введение радиоактивного углерода в сплав будет испускать γ- излучения (электромагнитные волны типа рентгеновских лучей). Излучение будет фиксироваться счетчиками или на фотографической пластине, по которому можно судить о строении сплава.

МАГНИТНЫЙ МЕТОД Основан на изменении магнитных свойств сплава с изменением его внутреннего строения при тепловом воздействии в результате перехода из парамагнитного состояния в ферро магнитное и наоборот. Диаграммы намагничивания образца при различных температурах дают информацию о внутренних процессах, происходящих в сплаве. Диаграммы намагничивания образца при различных температурах дают информацию о внутренних процессах, происходящих в сплаве.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ Применяется для выявления дефектов структуры на значительной глубине. Используются ультразвуковые колебания с частотой от 2 до 10 млн Гц. Распространяясь в металле, ультразвук не проходит через трещины, раковины, образуя акустическую тень. Для излучения и приема ультразвука используют пьезоэлектрические излучатели и приемники.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что называется металлом? 2. Как классифицируются металлы? 3. Назовите два этапа процесса кристаллизации металлов. 4. Опишите строение слитка. 5. Что такое дендрит? 6. Какими методами изучается структура металлов?