Struttura interna dei metalli e delle leghe. Struttura cristallina dei metalli
introduzione
I metalli sono sostanze semplici che, in condizioni normali, hanno proprietà caratteristiche: elevata conduttività elettrica e termica, coefficiente di temperatura negativo della conduttività elettrica, capacità di riflettere bene le onde elettromagnetiche (brillantezza e opacità), elevata resistenza e duttilità.
Le proprietà dei metalli possono cambiare in modo significativo a pressioni molto elevate. Molti metalli, a seconda della temperatura e della pressione, possono esistere sotto forma di diverse modificazioni cristalline.
Più di 80 elementi chimici e molte leghe metalliche hanno proprietà metalliche simili. Il numero di leghe metalliche utilizzate nella tecnologia ammonta a migliaia ed è in costante aumento in conformità con i nuovi e diversi requisiti emergenti imposti da molti settori.
Le proprietà dei metalli sono determinate dalla loro struttura cristallina e dalla presenza nel loro reticolo cristallino di numerosi elettroni di conduzione mobile non associati ai nuclei atomici.
Le leghe metalliche hanno molte proprietà in comune con i metalli, quindi sono spesso classificate come metalli.
I metalli (leghe) nell'industria sono divisi in due gruppi principali: metalli ferrosi e non ferrosi.
I metalli ferrosi sono una lega di ferro e carbonio, che può contenere altri elementi chimici in quantità maggiori o minori. Il cobalto, il nichel e il manganese, che hanno proprietà simili, sono spesso classificati come metalli ferrosi. I metalli ferrosi sono i più diffusi, a causa del contenuto di ferro relativamente elevato nella crosta terrestre, del suo basso costo e delle elevate proprietà meccaniche e tecnologiche.
I metalli non ferrosi sono suddivisi nei seguenti gruppi in base alle loro proprietà:
leggero (Be, Mg, Al, Ti), avente una densità relativamente bassa - fino a 5000 kg/m 3;
refrattari (Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V, ecc.) con punto di fusione superiore a quello del ferro (1539°C);
nobile (Ph, Pd, Ag, Os, Pt, Au, ecc.), dotato di inerzia chimica:
uranio (U, Th, Pa) - attinidi utilizzati nella tecnologia nucleare;
metalli delle terre rare (REM), lantanidi (Ce, Pro, Nd, Sm, ecc.) e simili ittrio e scandio, usati come additivi per varie leghe;
metalli alcalino terrosi (Li, Na, K), utilizzati come refrigeranti nei reattori nucleari.
La classificazione delle leghe metalliche per composizione chimica, basata sull'indicazione del componente principale della lega (ferro, rame, alluminio, ecc.), è di natura tradizionale ed è diventata la più diffusa.
La struttura macro, micro e atomica dei metalli e delle leghe viene studiata mediante metallografia.
La macrostruttura è la struttura del metallo, visibile ad occhio nudo o con una lente d'ingrandimento in una frattura o su una sezione incisa. La microstruttura della struttura metallica, osservata al microscopio ottico o elettronico, che consente di ingrandire l'area interessata da dieci volte a centinaia di migliaia di volte.
La struttura atomica dei metalli è la disposizione spaziale degli atomi in un reticolo cristallino. Questo tipo di struttura viene studiata utilizzando l'analisi strutturale a raggi X.
Struttura in metallo
Tutti i metalli hanno una struttura cristallina. Disposti in un modo o nell'altro, gli atomi formano una cellula elementare di un reticolo cristallino spaziale. Il tipo di cella dipende dalla natura chimica e dallo stato del metallo. Lo stato cristallino è innanzitutto caratterizzato da una certa disposizione regolare degli atomi nello spazio. Ciò significa che in un cristallo ogni atomo ha lo stesso numero di atomi più vicini, vicini situati alla stessa distanza da esso. Durante la cristallizzazione, gli ioni caricati positivamente, disposti in sequenza sotto forma di reticoli cristallini elementari, formano cristalli sotto forma di grani o dendriti. Tutti i metalli e le leghe hanno una struttura cristallina. I cristalli risultanti crescono, cristallizzano dal liquido fuso dapprima liberamente, non interferiscono tra loro, poi si scontrano e la crescita dei cristalli continua solo in quelle direzioni dove c'è libero accesso al metallo liquido. Di conseguenza, la forma originale geometricamente corretta dei cristalli viene interrotta. Dopo l'indurimento, i grani e i dendriti presentano una forma irregolare e geometricamente distorta.
Figura 1. Schema di cristallizzazione: a - sotto forma di grani; b - sotto forma di dendriti.
Il desiderio degli atomi metallici (ioni) di essere localizzati, possibilmente più vicini tra loro, più densamente, porta al fatto che il numero di combinazioni incontrate della disposizione relativa degli atomi metallici nei cristalli è piccolo.
Esistono numerosi schemi e metodi per descrivere le opzioni per la disposizione relativa degli atomi in un cristallo. La disposizione relativa degli atomi in uno dei piani è mostrata nel diagramma della disposizione degli atomi (Figura 2).
Figura 2. Cella unitaria cristallina (cubica semplice).
Le linee immaginarie tracciate attraverso i centri degli atomi formano un reticolo, ai cui nodi si trovano gli atomi (ioni caricati positivamente); questo è il cosiddetto piano cristallografico. La ripetizione ripetuta di piani cristallografici situati in parallelo riproduce un reticolo cristallino spaziale, i cui nodi sono la posizione degli atomi (ioni). Le distanze tra i centri degli atomi vicini sono misurate in angstrom (1 A = 1 * 10 -8 cm) o in kiloischi - kX (1kX = 1,00202 A). La disposizione relativa degli atomi nello spazio e l'entità delle distanze interatomiche sono determinate mediante l'analisi della diffrazione dei raggi X. La disposizione degli atomi in un cristallo è molto conveniente da rappresentare sotto forma di diagrammi spaziali, sotto forma delle cosiddette celle cristalline elementari. Per cella unitaria cristallina si intende il più piccolo complesso di atomi che, ripetuto più volte nello spazio, consente di riprodurre un reticolo cristallino spaziale. Il tipo più semplice di cella cristallina è il reticolo cubico. In un semplice reticolo cubico, gli atomi non sono disposti (impacchettati) abbastanza strettamente. Il desiderio degli atomi metallici di occupare posti più vicini l'uno all'altro porta alla formazione di reticoli di altri tipi: cubico a corpo centrato (Figura 3, a), cubico a facce centrate (Figura 3, b) ed esagonale compatto (Figura 3,c).
Figura 3. Celle cristalline unitarie: a - cubiche a corpo centrato; b - cubico a faccia centrata; c - esagonale compatto.
temperatura elettromagnetica conduttività termica del metallo
I cerchi che rappresentano gli atomi si trovano al centro del cubo e lungo i suoi vertici (cubo centrato sul corpo), oppure nei centri delle facce e lungo i vertici del cubo (cubo centrato sulla faccia), o sotto forma di esagono , nel quale è inserito per metà anche un esaedro, i cui tre atomi del piano superiore sono all'interno di un prisma esagonale (reticolo esagonale).
Il metodo di imaging del reticolo cristallino mostrato nella Figura 3 è convenzionale (come qualsiasi altro). Potrebbe essere più corretto rappresentare gli atomi in un reticolo cristallino sotto forma di sfere che si toccano (diagrammi a sinistra nella Figura 3). Tuttavia, tale immagine del reticolo cristallino non è sempre più conveniente di quella accettata (diagrammi a destra nella Figura 3).
Le dimensioni del reticolo cristallino sono caratterizzate da parametri, o periodi reticolari. Un reticolo cubico è determinato da un parametro: la lunghezza del bordo del cubo a (Figura 3, a, b). I parametri hanno valori dell'ordine delle dimensioni atomiche e sono misurati in angstrom.
Ad esempio, il parametro reticolare del cromo, che ha una struttura cubica centrata sul corpo, è 2,878 A, e il parametro reticolare dell'alluminio, che ha una struttura cubica centrata sulla faccia, è 4,041 A.
Il parametro reticolo è una caratteristica estremamente importante. I moderni metodi a raggi X consentono di misurare un parametro con una precisione fino alla quarta o addirittura quinta cifra decimale, cioè da un decimillesimo a un centomillesimo di angstrom.
Dall'esame dei diagrammi dei reticoli cristallini (Figura 3), se assumiamo che gli atomi siano, per così dire, palline elastiche che si toccano tra loro, ne consegue che il parametro reticolare a e il diametro atomico d sono legati da semplici relazioni geometriche .
Per un cubo centrato sul corpo
Per un cubo a faccia centrata
Prendendo la forma di una sfera per un atomo, possiamo calcolare che in un reticolo cubico a corpo centrato gli atomi occupano il 68% del volume, e in un reticolo cubico a facce centrate (come in un reticolo esagonale compatto) il 74%, cioè. nel secondo caso gli atomi sono disposti in modo più denso, più compatto.
Per i metalli è comune un reticolo esagonale (Figura 3, c).
Se gli strati di atomi si toccano, cioè i tre atomi raffigurati all'interno del reticolo (Figura 3, c) toccano gli atomi situati sui piani superiore e inferiore, allora abbiamo un cosiddetto reticolo esagonale compatto.
Le dimensioni del reticolo esagonale compatto sono caratterizzate da un valore costante c/a = 1,633. Ad altri valori di c/a si ottiene un reticolo esagonale poco compatto.
I reticoli cubici ed esagonali a facce centrate rappresentano il modo più denso per imballare palline dello stesso diametro.
Alcuni metalli hanno un reticolo tetragonale (Figura 4); è caratterizzato dal fatto che lo spigolo c non è uguale allo spigolo a. Il rapporto tra questi parametri caratterizza il cosiddetto grado di tetragonalità. Quando c/a = 1 si ottiene un reticolo cubico. A seconda della disposizione spaziale degli atomi, un reticolo tetragonale (come quello cubico) può essere semplice, centrato sul corpo o centrato sulle facce.
Figura 4. Reticolo tetragonale
Il numero di atomi in reciproco contatto è essenziale per le proprietà di un dato metallo o lega. Questo è determinato dal numero di atomi equidistanti alla distanza più vicina da qualsiasi atomo.
Il numero di atomi situati alla distanza più vicina ed uguale da un dato atomo è chiamato numero di coordinazione. Ad esempio, un atomo in un reticolo cubico semplice ha sei vicini equidistanti, ovvero il numero di coordinazione di questo reticolo è 6.
L'atomo centrale in un reticolo centrato sul corpo ha otto vicini più vicini equidistanti, ovvero il numero di coordinazione di questo reticolo è 8. Il numero di coordinazione per un reticolo centrato sulle facce è 12. Nel caso di un reticolo esagonale compatto, il numero di coordinamento è 12 e nel caso di c/a? 1.633 ogni atomo ha sei atomi ad una distanza e sei ad un'altra (numero di coordinazione 6).
Per una breve designazione del reticolo cristallino, indicando in questa designazione il tipo di reticolo cristallino e il numero di coordinazione, è stato adottato uno dei seguenti sistemi (Tabella 1).
Tabella 1
Ogni metallo ha un reticolo cristallino specifico.
Una caratteristica essenziale di una struttura cristallina è il numero di atomi per cella unitaria.
Tra circa. C. Nel reticolo, gli atomi situati al vertice appartengono a otto celle unitarie. Di conseguenza, ogni atomo contribuisce solo per un ottavo del suo volume a una determinata cella unitaria. L'atomo centrale appartiene interamente a questa cella unitaria. Pertanto, ci sono 1/8 * 8+1=2 atomi per cella unitaria.
In un cubo a facce centrate, ci sono quattro atomi per cella unitaria (1/8 × 8 atomi dal numero situato ai vertici del cubo + 1/2 × 6=3 atomi dal numero che centra le facce).
Tipicamente, gli elementi metallici situati sul lato sinistro della tabella di D.I. Mendeleev cristallizzano in un imballaggio denso, cioè in semplici cellule cristalline con un grande numero di coordinazione. Tipicamente i grigliati metallici sono, come indicato, o. C. k., g.c. k. e g.p.u. Infatti, quasi tutti i metalli, a partire dallo zinco, dal cadmio e dal mercurio fino a sinistra, nella maggior parte dei casi hanno reticoli semplici.
Gli elementi non metallici sono caratterizzati da un basso numero di coordinazione (K4 o inferiore). I non metalli hanno densità e peso specifico inferiori rispetto ai metalli.
Conclusione
I metalli sono sostanze semplici che hanno elettroni liberi non associati ad atomi specifici, che sono in grado di muoversi attraverso l'intero volume del corpo. Questa caratteristica dello stato di una sostanza metallica determina le proprietà dei metalli.
Gli atomi metallici cedono facilmente i loro elettroni esterni (di valenza), trasformandosi in nononi carichi positivamente. Gli elettroni liberi ceduti dagli atomi si muovono continuamente in modo caotico, cioè in modo casuale, in tutto il volume del metallo. Tali elettroni liberi sono spesso chiamati gas di elettroni. Gli ioni caricati positivamente, quando entrano in collisione con gli elettroni liberi, possono trasformarsi per qualche tempo in atomi neutri.
Pertanto, i metalli sono costituiti da ioni caricati positivamente disposti in modo ordinato, elettroni che si muovono tra loro e un piccolo numero di atomi neutri. I metalli sono alluminio, ferro, rame, nichel, cromo, ecc.
Le leghe sono sistemi costituiti da due o più metalli o metalli e non metalli. Le leghe hanno tutte le proprietà caratteristiche dei metalli. Ad esempio, acciaio e ghisa sono leghe di ferro con carbonio, silicio, manganese, fosforo e zolfo; bronzo: una lega di rame con stagno o altri elementi; l'ottone è una lega di rame con zinco e altri elementi.
Molto meno frequentemente utilizzate nell'industria sono le leghe ottenute mediante fusione di componenti seguita da cristallizzazione da uno stato liquido;
Durante il processo di cristallizzazione dallo stato fuso (liquido) di un metallo o di una lega, gli ioni caricati positivamente e gli atomi neutri vengono raggruppati in una sequenza rigorosamente definita, formando reticoli cristallini: la corretta disposizione ordinata degli atomi in una cella unitaria. I reticoli cristallini dei metalli e delle leghe possono essere di vario tipo: cubici a volume concentrato (bcc), cubici a facce centrate (fc), esagonali compatti (h.c.). Un reticolo cubico a volume concentrato è formato da ferro, rame, alluminio, piombo, ecc.; esagonale compatto - zinco, magnesio, cobalto, ecc.
Per caratterizzare un reticolo cristallino, è necessario conoscere i periodi del reticolo: la distanza a e c tra i centri degli atomi o degli ioni situati nei siti del reticolo. Il periodo reticolare è misurato in Angstrom (1A=10 -8 cm).
Durante la cristallizzazione, gli ioni caricati positivamente, disposti in sequenza sotto forma di reticoli cristallini elementari, formano cristalli sotto forma di granuli o dendriti. Tutti i metalli e le leghe hanno una struttura cristallina. I cristalli risultanti crescono, cristallizzano dal liquido fuso dapprima liberamente, non interferiscono tra loro, poi si scontrano e la crescita dei cristalli continua solo in quelle direzioni dove c'è libero accesso al metallo liquido. Di conseguenza, la forma originale geometricamente corretta dei cristalli viene interrotta. Dopo l'indurimento, i grani e i dendriti presentano una forma irregolare e geometricamente distorta.
Quando riscaldato, il calore assorbito dai metalli viene speso sui movimenti vibrazionali degli atomi e, di conseguenza, sull'espansione termica del metallo. Durante la fusione, il volume dei metalli aumenta del 3-4%. All'aumentare della temperatura aumentano i movimenti vibrazionali degli atomi o degli ioni, i grani cristallini si disintegrano e la lega, passando allo stato solido-liquido, si trasforma in una massa fusa.
Il passaggio allo stato liquido non porta alla completa distruzione della struttura cristallina. Nella fusione dei metalli e delle leghe ci sono sempre minuscole aree in cui viene preservata la struttura originaria ed ereditaria del metallo, prossima al cristallino. Inoltre, sono sempre presenti particelle refrattarie (resti del rivestimento del forno, impurità di altri elementi), che possono formare ulteriori centri di cristallizzazione e causare l'inizio della cristallizzazione. Il controllo della cristallizzazione della lega si basa sulla creazione artificiale di centri di cristallizzazione nella massa fusa con una contemporanea variazione della sua velocità di raffreddamento al fine di ottenere una determinata struttura della lega allo stato solido.
Letteratura
1. Gulyaev A.P. Metallurgia. - 5a ed., rivista. e aggiuntivi - M.: Casa editrice "metallurgia", 1977.
2. Scienza dei materiali per idraulici, installatori, operatori di macchine edili: un libro di testo per gli ambienti. prof.-tecn. scuole /Yu.G.Vinogradov, K.S.Orlov, L.A.Popova. - M.: Più in alto. scuola, 2a ed., 1989.
3. Scienza dei materiali. Lezione 5. Z.O.
4. Moizberg R.K. Scienza dei materiali, 1991.
5. Khanapetov M.V. Saldatura e taglio dei metalli. - 3a ed., riveduta. e aggiuntivi - M.: Stroyizdat, 1988.
Opzione 1.
Nei metalli, tipo di legame:
polare covalente; 2) ionico; 3) metallo; 4) covalente non polare.
La struttura interna dei metalli contiene:
1) solo cationi; 2) solo anioni; 3) cationi e anioni; 4) cationi e atomi neutri.
Il metallo liquido a temperatura ambiente è:
1) ferro; 2) mercurio; 3) oro; 4) litio.
Gli alchimisti consideravano l'oro un simbolo:
Cattivo giudizio, che tutti i metalli:
1) avere malleabilità; 2) avere una lucentezza metallica; 3) hanno conduttività elettrica; 4) sostanze volatili.
Il metallo più duro:
1) sodio; 2) cromo; 3) piombo; 4) litio.
Metallo con la densità più alta:
1) ferro; 2) rame; 3) oro; 4) titanio.
Riflette meglio la luce:
1) piombo; 2) argento; 3) zinco; 4) ferro.
Tra le sostanze elencate indicare quelle che sono metalli:
silicio; 2) berillio; 3) boro; 4) alluminio; 5) potassio; 6) argon; 7) zolfo; 8) stagno.
Dai la tua risposta come una sequenza di numeri in ordine crescente.
Test n. 4 Argomento “Sostanze semplici - metalli”
Opzione 2.
Metalli per completare lo strato:
1) donare elettroni; 2) accettare elettroni; 3) dare o ricevere elettroni; 4) il loro strato è completo.
2. Il legame nei metalli tra i cationi viene effettuato mediante:
1) elettroni liberi; 2) anioni; 3) protoni; 4) neutroni.
3. Il più duttile dei metalli preziosi:
1) argento; 2) platino; 3) oro; 4) mercurio.
Gli alchimisti consideravano il rame un simbolo:
1) Venere; 2) Marte; 3) il Sole; 4) Saturno.
5. Il metallo più tenero:
1) cromo; 2) titanio; 3) molibdeno; 4) condurre.
6. Il metallo più refrattario:
1) tungsteno; 2) mercurio; 3) oro; 4) titanio.
7. Metallo con la densità più bassa:
1) sodio; 2) stagno; 3) piombo; 4) ferro.
8. Ha la più alta conduttività elettrica:
1) ferro; 2) oro; 3) alluminio; 4) argento.
9. Disporre i seguenti metalli in ordine di densità crescente:
1) rame; 2) ferro; 3) piombo; 4) alluminio; 5) oro.
Dai la tua risposta come una sequenza di numeri.
Risposte. Argomento "Sostanze semplici - metalli"
Opzione 1.
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26.08.2008
Struttura interna e proprietà dei metalli e delle leghe
I materiali tecnici includono metalli e loro leghe, legno, plastica, gomma, cartone, carta, vetro, ecc. I metalli e le loro leghe sono ampiamente utilizzati nella produzione di macchine.
I metalli sono sostanze che hanno un'elevata conduttività termica ed elettrica; duttilità, lucentezza e altre proprietà caratteristiche.
Nella tecnologia, tutti i metalli e le leghe sono generalmente suddivisi in ferrosi e non ferrosi. I metalli ferrosi comprendono il ferro e le sue leghe. I metalli non ferrosi comprendono tutti gli altri metalli e leghe. Per scegliere il materiale giusto per la fabbricazione di parti di macchine, tenendo conto delle condizioni operative, dei carichi meccanici e di altri fattori che influenzano le prestazioni e l'affidabilità delle macchine, è necessario conoscere la struttura interna, fisico-chimica, meccanica e tecnologica proprietà dei metalli.
I metalli e le loro leghe allo stato solido hanno una struttura cristallina. I loro atomi (ioni, molecole) si trovano nello spazio in un ordine rigorosamente definito e formano un reticolo cristallino spaziale.
Il più piccolo complesso di atomi che, ripetuto più volte nello spazio, riproduce un reticolo, è chiamato cella cristallina unitaria.
La forma della cella cristallina elementare determina l'insieme delle proprietà dei metalli: lucentezza, fusibilità, conducibilità termica, conducibilità elettrica, lavorabilità e anisotropia (differenza di proprietà nei diversi piani del reticolo cristallino).
I reticoli cristallini spaziali si formano durante la transizione di un metallo dallo stato liquido a quello solido. Questo processo è chiamato cristallizzazione. I processi di cristallizzazione furono studiati per la prima volta dallo scienziato russo D. K. Chernov.
La cristallizzazione consiste di due fasi. Nello stato liquido di un metallo, i suoi atomi sono in continuo movimento. Quando la temperatura diminuisce, il movimento degli atomi rallenta, si avvicinano e si raggruppano in cristalli. Si formano i cosiddetti centri di cristallizzazione (primo stadio). Poi avviene lo scavo dei cristalli attorno a questi centri (seconda fase). Inizialmente i cristalli crescono liberamente. Con un'ulteriore crescita, i cristalli vengono respinti, la crescita di alcuni cristalli interferisce con la crescita di quelli vicini, a seguito dei quali si formano gruppi di cristalli di forma irregolare, chiamati grani.
La dimensione del grano influisce in modo significativo sulle proprietà operative e tecnologiche dei metalli. Il metallo a grana grossa ha una bassa resistenza agli urti; quando lo si lavora mediante taglio, diventa difficile ottenere una bassa rugosità superficiale delle parti. Le dimensioni dei grani dipendono dalla natura del metallo stesso e dalle condizioni di cristallizzazione.
Metodi per lo studio della struttura dei metalli. La struttura dei metalli e delle leghe viene studiata utilizzando macro e microanalisi, nonché altri metodi.
Il metodo della macroanalisi serve per studiare la macrostruttura, cioè la struttura del metallo, visibile ad occhio nudo o con una lente di ingrandimento. La macrostruttura è determinata da fratture o macrosezioni metalliche.
Una macrosezione è un campione di un metallo o di una lega, uno dei cui lati è stato macinato e inciso con acido o altro reagente. Questo metodo rivela grandi difetti: crepe, cavità da ritiro, bolle di gas, distribuzione non uniforme delle impurità nel metallo, ecc.
La microanalisi consente di determinare la dimensione e la forma dei grani, i componenti strutturali, la qualità del trattamento termico e identificare i microdifetti.
La microanalisi viene eseguita su microsezioni utilizzando un microscopio (i moderni microscopi metallografici forniscono un ingrandimento fino a 2000 e i microscopi elettronici fino a 25.000).
Una microsezione è un campione di metallo che ha una superficie piatta e lucida che è stata incisa con una soluzione debole di acido o alcali per rivelare la microstruttura. Proprietà dei metalli. Le proprietà dei metalli sono generalmente suddivise in fisico-chimiche, meccaniche e tecnologiche. Le proprietà fisico-chimiche e meccaniche dei solidi, compresi i metalli, ti sono familiari dai corsi di fisica e chimica. Soffermiamoci sulla considerazione di alcune proprietà meccaniche e tecnologiche importanti dal punto di vista della lavorazione dei metalli.
Per proprietà meccaniche, come è noto, si intende la capacità di un metallo o di una lega di resistere a forze esterne. Le proprietà meccaniche includono resistenza, tenacità, durezza, ecc.
La resistenza caratterizza la capacità di un metallo o di una lega, in determinate condizioni e limiti, di resistere a determinate influenze di forze esterne senza collassare.
Una proprietà importante di un metallo è la resistenza agli urti: la resistenza del materiale alla distruzione sotto carico d’urto.
Per durezza si intende la proprietà di un materiale di resistere alla penetrazione di un altro corpo più duro al suo interno.
Le proprietà meccaniche dei materiali sono espresse attraverso una serie di indicatori (ad esempio, resistenza alla trazione, allungamento e contrazione relativa, ecc.)
La resistenza alla trazione, o resistenza alla trazione temporanea, è la sollecitazione condizionale corrispondente al carico massimo che il campione può sopportare durante la prova prima della rottura.
La durezza dei metalli e delle leghe viene determinata principalmente utilizzando tre metodi, che prendono il nome dai loro inventori: il metodo Brinell, il metodo Rockwell e il metodo Vickers. I La misurazione della durezza con il metodo Brinell consiste nel premere una sfera di acciaio temprato con un diametro di 2,5, 5 o 10 mm nella superficie del metallo da testare utilizzando un durometro TS sotto l'influenza di un carico statico P. Il rapporto del carico alla superficie della rientranza (foro) dà il valore di durezza, indicato NV.
La durezza Rockwell viene misurata utilizzando un dispositivo TK premendo una sfera con un diametro di 1,59 mm (1/16 di pollice) o un cono diamantato con un angolo all'apice di 120° (per acciai e leghe particolarmente duri) nelle letture della durezza vengono determinati utilizzando l'indicatore del dispositivo.
La durezza Vickers viene misurata utilizzando un dispositivo TP premendo una piramide tetraedrica di diamante nel metallo con un angolo all'apice di a = 136°. Utilizzando la tabella, il numero di durezza HV viene trovato utilizzando la lunghezza diagonale della stampa risultante.
L'uso di un metodo particolare dipende dalla durezza del campione di prova, dal suo spessore o dallo spessore dello strato di prova. Ad esempio, il metodo Vickers viene utilizzato per misurare la durezza degli acciai temprati, dei materiali delle parti fino a 0,3 mm di spessore e delle superfici esterne sottili delle parti cementate, nitrurate e di altro tipo.
Alle principali proprietà tecnologiche dei metalli e delle leghe
include il seguente:
malleabilità: la proprietà di un metallo di essere sottoposto a forgiatura e ad altri tipi di trattamento a pressione;
fluidità - proprietà del metallo fuso di riempire lo stampo di colata in tutte le sue parti e produrre getti densi di precisa configurazione;
saldabilità: la proprietà di un metallo di produrre giunti saldati resistenti;
lavorabilità - la proprietà dei metalli di essere lavorati mediante utensili da taglio per conferire alle parti una determinata forma, dimensione e rugosità superficiale.
Sommario del libro Pagina successiva >>§ 2. La struttura dei metalli e delle leghe e metodi per studiarla
Struttura cristallina dei metalli. Lo studio della struttura interna e delle proprietà dei metalli e delle leghe è una scienza chiamata metallurgia.
Tutti i metalli e le leghe sono costituiti da atomi in cui gli elettroni esterni sono debolmente legati al nucleo. Gli elettroni sono caricati negativamente e se si crea una leggera differenza di potenziale, gli elettroni fluiranno verso il polo positivo, formando una corrente elettrica. Questo spiega la conduttività elettrica delle sostanze metalliche.
Tutti i metalli e le leghe allo stato solido hanno una struttura cristallina. A differenza dei corpi non cristallini (amorfi), i metalli hanno atomi (ioni) disposti in un ordine strettamente geometrico, formando un reticolo cristallino spaziale. La posizione relativa degli atomi nello spazio e le distanze tra loro sono determinate mediante l'analisi della diffrazione dei raggi X. La distanza tra i nodi di un reticolo cristallino è chiamata parametro reticolare e viene misurata in angstrom Å (10 -8 cm). I parametri reticolari di vari metalli vanno da 2,8 a 6 Å (Fig. 23).
a - corpo cubico centrato; b - cubico a faccia centrata; c - esagonale
Per una rappresentazione visiva della disposizione degli atomi in un cristallo, vengono utilizzati diagrammi spaziali sotto forma di celle cristalline elementari. I tipi più comuni di reticoli cristallini sono cubici a corpo centrato, cubici a facce centrate ed esagonali.
Ci sono nove atomi in un reticolo cubico a corpo centrato. Cromo, tungsteno, molibdeno, vanadio e ferro hanno un tale reticolo a temperature fino a 910° C.
Ci sono 14 atomi in un reticolo cubico a facce centrate. Tale reticolo ha: rame, piombo, alluminio, oro, nichel e ferro ad una temperatura di 910-1400 ° C.
Ci sono 17 atomi in un reticolo esagonale compatto. Magnesio, zinco, cadmio e altri metalli hanno un tale reticolo.
La disposizione relativa degli atomi nello spazio, il numero di atomi nel reticolo e gli spazi interatomici caratterizzano le proprietà del metallo (conduttività elettrica, conducibilità termica, fusibilità, plasticità, ecc.).
La distanza tra gli atomi in un reticolo cristallino può essere diversa in direzioni diverse. Pertanto, le proprietà del cristallo in direzioni diverse non sono le stesse. Questo fenomeno è chiamato anisotropia. Tutti i metalli sono corpi cristallini, quindi sono corpi anisotropi. I corpi le cui proprietà sono le stesse in tutte le direzioni sono detti isotropi.
Un pezzo di metallo costituito da molti cristalli ha, in media, le stesse proprietà in tutte le direzioni, motivo per cui è chiamato quasi isotropo (isotropia immaginaria).
L'anisotropia è di grande importanza pratica. Ad esempio, mediante forgiatura, stampaggio e laminazione, si ottiene il corretto orientamento dei cristalli nelle parti, ottenendo così diverse proprietà meccaniche lungo e attraverso la parte. Con l'aiuto della laminazione a freddo si ottengono elevate proprietà magnetiche ed elettriche in una determinata direzione della parte.
Le sostanze allo stato solido hanno una struttura cristallina o amorfa. In una sostanza cristallina gli atomi sono disposti secondo uno schema geometricamente regolare e ad una certa distanza l'uno dall'altro, mentre in una sostanza amorfa (vetro, colofonia) gli atomi sono disposti in modo casuale.
Tutti i metalli e le loro leghe hanno una struttura cristallina. SU Fig.12 Viene mostrata la struttura del ferro puro. I grani di cristallo di forma indeterminata non sembrano i tipici cristalli: poliedri, motivo per cui vengono chiamati cristalliti, grani O granuli. Tuttavia, la struttura dei cristalliti è regolare quanto quella dei cristalli sviluppati.
Fig.12. Microstruttura del ferro puro (x - 150)
Tipi di reticoli cristallini . Quando solidificano, gli atomi metallici formano sistemi geometricamente regolari chiamati reticoli cristallini. L'ordine di disposizione degli atomi nel reticolo può essere diverso. Molti dei metalli più importanti formano reticoli, le cui celle più semplici (elementari) hanno la forma di un cubo centrato ( - E - ferro, cromo, molibdeno, tungsteno, vanadio, manganese), cubo con bordi centrati ( - ferro, alluminio, rame, nichel, piombo) o una cella esagonale, come un prisma esagonale (magnesio, zinco, - titanio, -cobalto).
Cella unitaria si ripete continuamente in tre dimensioni per formare un reticolo cristallino, quindi la posizione degli atomi nella cella unitaria determina la struttura dell'intero cristallo.
Cella unitaria di un cubo centrato ( Fig.13) è composto da nove atomi, di cui otto si trovano ai vertici del cubo e il nono al centro.
Figura 13. Cella unitaria Figura 14. Parte del reticolo spaziale
cubo centrato cubo centrato sul ki
Caratterizzare il reticolo cristallino (struttura atomica di un cristallo) reticolo spaziale, che è un diagramma geometrico di un reticolo cristallino e consiste di punti (nodi) situati regolarmente negli spazi.
Figura 15. Cella unitaria di un cubo Figura 16. Parte della ri-spaziale
con facce della griglia cubica centrate con centrate
SU riso.14 Viene mostrata parte del reticolo spaziale di un cubo centrato. Qui vengono prese otto celle unitarie contigue; i nodi situati ai vertici e al centro di ciascuna cella sono contrassegnati da cerchi. Cella unitaria di un cubo con facce centrate ( Fig.15) è composto da 14 atomi, di cui 8 atomi si trovano ai vertici del cubo e 6 atomi si trovano lungo le facce.
SU Fig.16 Viene mostrata parte del reticolo spaziale di un cubo con facce centrate (cubo a facce centrate). Nel diagramma sono presenti otto celle unitarie; i nodi si trovano ai vertici e al centro delle facce di ciascuna cella. Cella esagonale ( Fig.17) è composto da 17 atomi, di cui 12 atomi si trovano ai vertici del prisma esagonale, 2 atomi al centro delle basi e 3 atomi all'interno del prisma. Per misurare la distanza tra gli atomi dei reticoli cristallini, viene utilizzata un'unità speciale, chiamata angstrom
cm.
Figura 17. Cella esagonale
Il parametro dei reticoli (laterali o esagonali) per il rame è 3,6 A, per l'alluminio 4,05 A, per lo zinco 2,67 A, ecc.
Ogni atomo è costituito da un nucleo carico positivamente e diversi strati (gusci) di elettroni caricati negativamente che si muovono attorno al nucleo. Gli elettroni nei gusci esterni degli atomi metallici, chiamati valenza, si scindono facilmente, si muovono rapidamente tra i nuclei e vengono chiamati gratuito. A causa della presenza di elettroni liberi, gli atomi metallici sono ioni caricati positivamente.
Quindi, nei nodi del reticolo indicati dai cerchi Fig.14 E 16 , ci sono ioni con carica positiva. Gli ioni, tuttavia, non sono a riposo, ma fluttuano continuamente nelle loro posizioni di equilibrio. Con l'aumentare della temperatura aumenta l'ampiezza delle vibrazioni, che provoca l'espansione dei cristalli, e alla temperatura di fusione le vibrazioni delle particelle si intensificano così tanto che il reticolo cristallino viene distrutto.
In tutti i cristalli si osservano piccole deviazioni dal reticolo ideale: siti non occupati e vari tipi di spostamenti atomici.
Anisotropia e scissione dei cristalli . Nei singoli cristalli le proprietà sono diverse in direzioni diverse. Se si prende un cristallo di grandi dimensioni (esistono metodi di laboratorio e persino industriali per coltivare cristalli di grandi dimensioni), si ritagliano diversi campioni della stessa dimensione, ma orientati diversamente, e si testano le loro proprietà, a volte si osserva una differenza molto significativa nelle proprietà tra i singoli cristalli campioni. Ad esempio, quando si testavano campioni tagliati da un cristallo di rame, l'allungamento relativo variava dal 10 al 50% e la resistenza alla trazione variava da 14 a 35 kg/mm2 per diversi campioni. Questa proprietà dei cristalli si chiama anisotropia. L'anisotropia dei cristalli è spiegata dalle peculiarità della disposizione degli atomi nello spazio.
Una conseguenza dell'anisotropia dei cristalli è scollatura, che viene rivelato dopo la distruzione. Nei punti in cui i cristalli sono fratturati, si possono osservare piani regolari, che indicano che le particelle vengono spostate sotto l'influenza di forze esterne, non in modo casuale, ma in file regolari, in una certa direzione, corrispondente alla posizione delle particelle nel cristallo. Questi aerei sono chiamati piani di clivaggio.
I corpi amorfi sono isotropi, cioè tutte le loro proprietà sono le stesse in tutte le direzioni. Una frattura di un corpo amorfo ha sempre una superficie irregolarmente curva, cosiddetta concoidale.
I metalli solidificati in condizioni ordinarie non sono costituiti da un cristallo, ma da molti singoli cristalliti, diversamente orientati tra loro, quindi le proprietà del metallo fuso sono approssimativamente le stesse in tutte le direzioni; questo fenomeno si chiama quasi-isotropia(isotropia apparente).
Allotropia dei metalli (o polimorfismo) - la loro proprietà di riorganizzare il reticolo a determinate temperature durante il riscaldamento o il raffreddamento. L'allotropia si trova in tutti gli elementi che cambiano valenza al variare della temperatura: ad esempio ferro, manganese, nichel, stagno, ecc. Ogni trasformazione allotropica avviene ad una certa temperatura. Ad esempio, una delle trasformazioni del ferro avviene alla temperatura di 910°C, al di sotto della quale gli atomi formano il reticolo di un cubo centrato (vedi Fig. Fig.14), e sopra - il reticolo di un cubo a facce centrate (vedi. Fig.16).
Questa o quella struttura è chiamata forma o modificazione allotropica. Varie modifiche sono designate con lettere greche , , ecc., con la lettera denotano una modifica che esiste a temperature inferiori alla prima trasformazione allotropica. Le trasformazioni allotropiche sono accompagnate dal rilascio (diminuzione) o dall'assorbimento (aumento) di energia.
Cristallizzazione dei metalli . La cristallizzazione è la formazione di cristalli nei metalli (e leghe) durante la transizione dallo stato liquido a quello solido ( cristallizzazione primaria). La ricristallizzazione da una modifica all'altra durante il raffreddamento di un metallo indurito è chiamata ( cristallizzazione secondaria). Il processo di cristallizzazione del metallo viene monitorato più facilmente utilizzando un contatore del tempo e un pirometro termoelettrico, ovvero un millivoltmetro collegato a una termocoppia. Una termocoppia (due fili diversi saldati alle estremità) è immersa nel metallo fuso. La corrente termica risultante è proporzionale alla temperatura del metallo e l'ago del millivoltmetro devia indicando tale temperatura su una scala graduata.
Le letture del pirometro vengono registrate automaticamente nel tempo e, in base ai dati ottenuti, vengono tracciate le curve di raffreddamento in coordinate “temperatura - tempo” (tali curve vengono disegnate da un registratore).
Si chiama la temperatura corrispondente ad ogni trasformazione del metallo punto critico.
SU Figura 18, a Viene mostrata la curva di riscaldamento del metallo. Ecco il punto UN- inizio della fusione, punto B- fine della fusione.
Figura 18. Curve di riscaldamento ( UN) e raffreddamento ( B- senza anello,
V- con un cappio) di metallo
Complotto UNB indica che la temperatura rimane costante nel tempo con il riscaldamento continuo. Ciò dimostra che, in questo caso, l'energia termica viene spesa per la trasformazione interna del metallo. trasformare un metallo solido in uno liquido (calore latente di fusione).
La transizione dallo stato liquido a quello solido durante il raffreddamento è accompagnata dalla formazione di un reticolo cristallino, cioè dalla cristallizzazione. Per provocare la cristallizzazione è necessario il metallo liquido raffreddare eccessivamente leggermente al di sotto del punto di fusione. Pertanto, l'area sulla curva di raffreddamento ( Figura 19.6) si trova leggermente più in basso T per favore a temperatura di sottoraffreddamento T eccetera .
Alcuni metalli hanno un sottoraffreddamento ( T per favore - T eccetera) può essere piuttosto significativo (ad esempio, per l'antimonio fino a 40°C) anche a temperature di sottoraffreddamento T eccetera (riso.18 , V) la cristallizzazione inizia immediatamente rapidamente, a seguito della quale la temperatura aumenta bruscamente quasi a T per favore. In questo caso, sul grafico viene disegnato un ciclo di isteresi termica.
Durante la solidificazione e la trasformazione allotropica nel metallo compaiono dapprima i nuclei cristallini (centri di cristallizzazione), attorno ai quali si raggruppano gli atomi, formando il corrispondente reticolo cristallino.
Pertanto, il processo di cristallizzazione consiste di due fasi: la formazione dei centri di cristallizzazione e la crescita dei cristalli.
In ciascuno dei cristalli emergenti i piani cristallografici sono orientati in modo casuale inoltre, durante la cristallizzazione primaria, i cristalli possono ruotare, poiché sono circondati da liquido; I cristalli adiacenti crescono l'uno verso l'altro e i punti del loro contatto determinano i confini dei cristalliti (grani).
Cristallizzazione del ferro. Consideriamo come esempio la cristallizzazione ed i punti critici del ferro.
Fig.19. Curve di raffreddamento e riscaldamento del ferro
SU Figura 19 sono mostrate le curve di raffreddamento e riscaldamento del ferro puro, che fonde alla temperatura di 1539 0 C. La presenza di punti critici a temperature inferiori indica trasformazioni allotropiche nel ferro solido.
I punti critici sono indicati dalla lettera UN, quando riscaldati denotano UNC e durante il raffreddamento Ar gli indici 2, 3, 4 servono a distinguere le trasformazioni allotropiche (l'indice 1 indica una trasformazione sul diagramma di fase Fe-Fe 3 C.
A temperature inferiori a 768 0 C, il ferro è magnetico e ha un reticolo cristallino di un cubo centrato. Questa modifica si chiama -ferro; quando riscaldato è in un punto Asso 2 entra in una modifica non magnetica -ferro. La struttura cristallina non cambia.
Al punto Asso 3 ad una temperatura di 910 0 C -ferro entra -ferro con un reticolo cristallino di un cubo a facce centrate.
Al punto Asso 4 ad una temperatura di 1401 0 C -ferro entra -ferro, e il reticolo cristallino viene nuovamente riorganizzato da un cubo a facce centrate a un cubo centrato.
Durante il raffreddamento si verificano le stesse transizioni, solo nell'ordine inverso.
Tra le trasformazioni elencate, le trasformazioni hanno la massima importanza pratica UN 3 come quando riscaldato ( Asso 3 ) e durante il raffreddamento ( UNR 3 ).
Trasformazione al punto UN 3 è accompagnato da una variazione di volume, a partire dalla densità del reticolo cristallino -ghiandola maggiore densità reticolare -ghiandola, al punto Asso 3 il volume diminuisce in quel punto Ar 3 - aumenta.
