Кристаллизация металлов, типы структур, дефекты кристаллов

Металлы - простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электропроводностью и теплопроводностью, пластичностью. Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение.

Сплавы – это макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более элементов (металлов, реже - металлов и неметаллов) с характерными металлическими свойствами.

Металлы обладают рядом ценных для строительства свойств: большая прочность, пластичность, свариваемость, способность упрочняться при термомеханических и химических воздействиях. Этим обуславливается их широкое применение в строительстве. В чистом виде металлы применяются редко, они используются в виде сплавов.

Железо и его сплавы (сталь С<=2,14%; чугун С>2,14%) называются черными металлами,

остальные (Be, Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn и др.) и их сплавы называются цветными.

Наибольшее применение в строительстве имеют черные металлы, их стоимость ниже цветных, но цветные металлы более прочны, пластичны, стойки против коррозии.

Сырьем для получения черных металлов служат руды железа: магнетит(FeFe₂O₄), гематит(Fe₂O₃), хромит(Fe Cr ₂O₄). Для производства цветных металлов используются бокситы, руды меди, цинка и др. Процесс восстановления руды выражается уравнением: Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Сталь выплавляют в основном в трех агрегатах: 1)Конвекторах 2)Мартеновских печах 3)Электрических печах.

В процессе продувки воздухом жидкого чугуна в конвекторе выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.

В мартеновском процессе (в отличие от конвертерных) тепла, выделяющегося в результате химических реакций окисления примесей, недостаточно для плавки. Поэтому в печь дополнительно подаётся тепло, получаемое в результате сжигания топлива.

Для выплавки стали используют электрические печи двух типов: дуговые и индукционные (высокочастотные). Металлы и сплавы в твердом состоянии – кристаллические тела. Атомы в них расположены закономерно в узлах кристаллической решетки и колеблются с частотой порядка 10¹³Гц. Связь электростатическая, обусловленная силами притяжения и отталкивания между положительно заряженными ионами и электронами проводимости.

Большинство металлов имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства. Кристаллическая решетка металлов и сплавов далека от идеального строения. В ней имеются дефекты – вакансии и дислокации. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей и продолжается при их росте. В зависимости от условий кристаллизации образуются кристаллы разных размеров неправильной формы.

Стали являются многокомпонентными сплавами. Кроме основы – железа (от 97,0 до 99,5% Fe) и углерода (до 2,14%), имеются ряд примесей: Mn, Si, S, P, O, N, H и др.

Наличие Mn, Si обусловлено технологическими особенностями производства.

Наличие P, S, O, N, H обусловлено невозможностью полного удаления их из металла при выплавке.

Случайные примеси Ni, Cr, Cu и др. – попадают из легированного металлического лома.

Влияние углерода на свойства стали Твердость линейно повышается с увеличением углерода, предел прочности до 0,8-0,9% С растёт линейно, при дальнейшем увеличении углерода снижается предел прочности. Ударная вязкость по мере увеличения содержания углерода до 0,6% резко снижается

Влияние кремния и марганца. Кремний и марганец раскисляют сталь, т.е. соединяясь с кислородом закиси железа FeO, в виде окислов переходят в шлак: 2FeO + Si = 2Fe + SiO; FeO + Mn = Fe + MnO.

Удаляя О2 – Si и Mn повышают плотность металла.

Si – сильно повышает предел текучести, снижает пластичность.

Mn – заметно повышает прочность, не снижая пластичности.

Влияние серы Сера (S) является вредной примесью. Попадает в сталь из чугуна (из золы и руды). Содержание серы: S – 0,035-0,06%.Выводят серу из стали с помощью марганца. Марганец образует соединение MnS: FeS + Mn → MnS + Fe. Сера и её соединения при комнатных и пониженных температурах способствует снижению ударной вязкости стали. Также сера снижает пластичность.

Влияние фосфора (Р) является вредной примесью. Содержится в пределах0,025–0,045%. Попадает в сталь в процессе производства из руды, топлива. Растворяясь в железе, фосфор сильно искажает решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшаетпластичность и вязкость. Фосфор – усиливает ковалентную (хрупкую) связь и ослабляет металлическую. С понижением температуры хрупкость металла увеличивается, облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом.

Влияние азота, кислорода и водорода Кислород (О2): образует неметаллические включения оксиды – FeO, MnO, Al2O3, SiO2. Азот (N2): образует нитриды – Fe4N, Fe2N, AlN. Кислород и азот в свободном виде располагаются в трещинах и др. Эти включения значительно уменьшают ударнуювязкость, повышают порог хладноломкости и уменьшаютпластичность, при этом повышается прочность стали.

Водород (Н2): при затвердевании часть водорода в атомарном состоянии остаётся в стали, способствуя сильномуохрупчиванию стали.

Примеси цветных металлов Примеси: Cu, Pb, Zn, Sb, Sn и др. попадают в сталь в процессе переплавки лома. Их содержание невелико и оказывают незначительное влияние на механические свойства.