2. Зеренное строение металлов. Границы зерен и субзерен
Металлы – это поликристаллические тела, они состоят из мелких кристаллов. Характеризуются металлическими свойствами и составляют 50 % всех химических элементов. Строение металлов и их сплавов кристаллическое.
В процессе кристаллизации кристаллы приобретают неправильную форму. Их называют зернами. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, которая отличается от ориентировки соседних зерен. Размер зерна металла влияет на его механические свойства. Данные свойства, вязкость и пластичность, значительно выше, если металл имеет мелкое зерно.
Поверхности раздела зерен называются границами зерен, которые могут быть: наклонными при расположении оси вращения в той же плоскости, что и граница; кручеными при перпендикулярно расположенной оси к плоскости. Такой кусок металла является поликристаллом. Границы зерен определяются точками соприкосновения смежных кристаллов. О размерах, структуре и характере строения зерен можно судить по изломам металла.
В поликристаллических материалах размер зерен от 1 до 1000 мкм. Зерна разориентированы, повернуты одни относительно других до десятков градусов. Границы являются основным дефектом в металлах. На границах между зернами атомы не имеют правильного расположения. Существует переходная область шириной в несколько атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с иной ориентацией. Строение переходного слоя (границы) способствует скоплению в нем дислокаций, так как при переходе через границу ни плоскость скольжения, ни вектор Бюргерса не сохраняются неизменными. Нарушение правильности расположения способствует тому, что на границах зерен повышена концентрация тех примесей, которые понижают поверхностную энергию. Внутри зерен нарушается правильное кристаллическое строение.
Границы субзерен менее нарушены.
Все металлы имеют общие свойства: пластичность, высокую тепло– и электропроводность, специфический металлический блеск, повышают электросопротивление с ростом температуры.
Из жидкого расплава вырастает монокристалл, который представляет собой один кристалл. Размеры монокристаллов невелики, их используют в лабораториях для изучения свойств какого-либо вещества. Металлы и сплавы, которые получают в самых обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, они имеют поликристаллическое строение.
Изучение строения металлов с помощью рентгеноструктурного анализа и электронного микроскопа позволило установить, что внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки – это нарушения укладки атомов в решетке.
Расположение атомов в решетке может быть в форме центрированного куба (б– и в-железо, б-титан, хром, молибден, вольфрам, ванадий), куба, грани которого центрированы (г-железо, алюминий, медь, никель, свинец, в-кобальт) или гексагональны, или в форме ячейки (магний, цинк).
Зерна в поликристаллах не являются монолитными, а состоят из отдельных субзерен, которые повернуты одно относительно другого на малый угол. Субзерно является многогранником, в котором содержится либо незначительное количество дислокаций, либо их совсем нет. Основные характеристики субзерен: тип, расположение, строение, плотность дислокаций. Многие дислокации образуются в результате механического сдвига.
Границы субзерен и зерен в металлах разделяют на малоугловые и большеугловые. Малоугловые границы наблюдаются между субзернами и имеют дислокационное строение. Малоугловую границу можно представить с помощью ряда параллельных краевых дислокаций. Образование субзерен с малоугловыми дислокациями называется полигонизацией. Структура большеугловых границ более сложная. Субграницы образованы определенными системами дислокаций. В зависимости от того, какой материал и какое воздействие на него оказывает окружающая среда, находится расположение дислокаций. Если металл мало деформирован, то местом скопления дислокаций являются плоскости скольжения. Если же такие металлы, как алюминий, железо подвергаются сильной деформации, то дислокации представлены в виде сложных сплетений: пространств, сетки.
Структура, в которой субзерна разориентированны друг относительно друга на угол 15-300, является блочной или мозаичной.
Плотность дислокаций в металле повышается при увеличении угла разориентации субзерен и уменьшением их величины. Атомы, расположенные на границах зерен, и атомы на поверхности кристалла из-за нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия, имеют более высокую потенциальную энергию, по сравнению с атомами в объеме субзерен. Наличие дислокаций влияет на прочностные качества металлов. По теоретическим подсчетам предел упругости чистых металлов в 1000 раз превышает реальный, а предел упругости стали – в 100 раз.
Книги → Материаловедение. Шпаргалка → 2. Зеренное строение металлов. Границы зерен и субзерен
Металлы – это поликристаллические тела, они состоят из мелких кристаллов. Характеризуются металлическими свойствами и составляют 50 % всех химических элементов. Строение металлов и их сплавов кристаллическое.
В процессе кристаллизации кристаллы приобретают неправильную форму. Их называют зернами. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, которая отличается от ориентировки соседних зерен. Размер зерна металла влияет на его механические свойства. Данные свойства, вязкость и пластичность, значительно выше, если металл имеет мелкое зерно.
Поверхности раздела зерен называются границами зерен, которые могут быть: наклонными при расположении оси вращения в той же плоскости, что и граница; кручеными при перпендикулярно расположенной оси к плоскости. Такой кусок металла является поликристаллом. Границы зерен определяются точками соприкосновения смежных кристаллов. О размерах, структуре и характере строения зерен можно судить по изломам металла.
В поликристаллических материалах размер зерен от 1 до 1000 мкм. Зерна разориентированы, повернуты одни относительно других до десятков градусов. Границы являются основным дефектом в металлах. На границах между зернами атомы не имеют правильного расположения. Существует переходная область шириной в несколько атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с иной ориентацией. Строение переходного слоя (границы) способствует скоплению в нем дислокаций, так как при переходе через границу ни плоскость скольжения, ни вектор Бюргерса не сохраняются неизменными. Нарушение правильности расположения способствует тому, что на границах зерен повышена концентрация тех примесей, которые понижают поверхностную энергию. Внутри зерен нарушается правильное кристаллическое строение.
Границы субзерен менее нарушены.
Все металлы имеют общие свойства: пластичность, высокую тепло– и электропроводность, специфический металлический блеск, повышают электросопротивление с ростом температуры.
Из жидкого расплава вырастает монокристалл, который представляет собой один кристалл. Размеры монокристаллов невелики, их используют в лабораториях для изучения свойств какого-либо вещества. Металлы и сплавы, которые получают в самых обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, они имеют поликристаллическое строение.
Изучение строения металлов с помощью рентгеноструктурного анализа и электронного микроскопа позволило установить, что внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки – это нарушения укладки атомов в решетке.
Расположение атомов в решетке может быть в форме центрированного куба (б– и в-железо, б-титан, хром, молибден, вольфрам, ванадий), куба, грани которого центрированы (г-железо, алюминий, медь, никель, свинец, в-кобальт) или гексагональны, или в форме ячейки (магний, цинк).
Зерна в поликристаллах не являются монолитными, а состоят из отдельных субзерен, которые повернуты одно относительно другого на малый угол. Субзерно является многогранником, в котором содержится либо незначительное количество дислокаций, либо их совсем нет. Основные характеристики субзерен: тип, расположение, строение, плотность дислокаций. Многие дислокации образуются в результате механического сдвига.
Границы субзерен и зерен в металлах разделяют на малоугловые и большеугловые. Малоугловые границы наблюдаются между субзернами и имеют дислокационное строение. Малоугловую границу можно представить с помощью ряда параллельных краевых дислокаций. Образование субзерен с малоугловыми дислокациями называется полигонизацией. Структура большеугловых границ более сложная. Субграницы образованы определенными системами дислокаций. В зависимости от того, какой материал и какое воздействие на него оказывает окружающая среда, находится расположение дислокаций. Если металл мало деформирован, то местом скопления дислокаций являются плоскости скольжения. Если же такие металлы, как алюминий, железо подвергаются сильной деформации, то дислокации представлены в виде сложных сплетений: пространств, сетки.
Зерно (иногда употребляется термин кристаллит) — минимальный объём кристалла, окруженный высокодефектными высокоугловыми границами, в поликристаллическом материале.
Определение размеров зёрен
Размер зерен обычно определяется с помощью рентгеновской дифракции. Помимо неё используют различные микроскопические методики, такие как просвечивающая и растровая электронная микроскопия, а также картирование с использованием дифракции отраженных электронов. Существует ГОСТ 5639-82, определяющий методы выявления и определения величины зерна, однако он несколько устарел.
Межзёренная граница
Межзёренная граница — поверхность раздела двух зёрен (кристаллитов) в поликристаллическом материале. Межзёренная граница является дефектом кристаллической структуры и имеет склонность к понижению электрической проводимости и температуропроводности. Высокая энергия границ и относительно слабая связь в большинстве межзёренных границ часто делает их предпочтительным местом для возникновения коррозии и выделения второй фазы.
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Зерно (кристаллическое)» в других словарях:
Зерно кристаллическое — – мелкие кристаллы, не имеющие ясно выраженной многогранной кристаллографически правильной формы. [Большой энциклопедический политехнический словарь] Рубрика термина: Общие термины Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы,… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
ЗЕРНО КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ — мелкие кристаллы, не имеющие ясно выраженной многогранной кристаллографически правильной формы (см. также Поликристалл) … Большой энциклопедический политехнический словарь
Зерно (значения) — Зерно: Зерно ядро (плод, семя) любой зерновой культуры. Зерно город в Германии, в земле Саксония Анхальт. Зерно (кристаллическое) область кристаллической решетки, ограниченная межзёренными границами. Также иногда называется… … Википедия
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ ЗЕРНО — мелкие кристаллы, не имеющие явно выраженной многогранной кристаллографически правильной формы. смотри Поликристалл … Металлургический словарь
Общие термины — Термины рубрики: Общие термины Абсолютно чёрное тело Абсолютный минимум Абсолютный показатель ресурсоиспользования и ресурсосбережения … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Дератизация — I Дератизация (франц. dératisation, от rat крыса) комплекс мер по борьбе с грызунами, вредными для человека в эпидемическом и экономическом отношении. Дератизация включает профилактические и истребительные мероприятия. В населенных пунктах… … Медицинская энциклопедия
2. Зеренное строение металлов. Границы зерен и субзерен
2. Зеренное строение металлов. Границы зерен и субзерен
Металлы – это поликристаллические тела, они состоят из мелких кристаллов. Характеризуются металлическими свойствами и составляют 50 % всех химических элементов. Строение металлов и их сплавов кристаллическое.
В процессе кристаллизации кристаллы приобретают неправильную форму. Их называют зернами. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, которая отличается от ориентировки соседних зерен. Размер зерна металла влияет на его механические свойства. Данные свойства, вязкость и пластичность, значительно выше, если металл имеет мелкое зерно.
Поверхности раздела зерен называются границами зерен, которые могут быть: наклонными при расположении оси вращения в той же плоскости, что и граница; кручеными при перпендикулярно расположенной оси к плоскости. Такой кусок металла является поликристаллом. Границы зерен определяются точками соприкосновения смежных кристаллов. О размерах, структуре и характере строения зерен можно судить по изломам металла.
В поликристаллических материалах размер зерен от 1 до 1000 мкм. Зерна разориентированы, повернуты одни относительно других до десятков градусов. Границы являются основным дефектом в металлах. На границах между зернами атомы не имеют правильного расположения. Существует переходная область шириной в несколько атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с иной ориентацией. Строение переходного слоя (границы) способствует скоплению в нем дислокаций, так как при переходе через границу ни плоскость скольжения, ни вектор Бюргерса не сохраняются неизменными. Нарушение правильности расположения способствует тому, что на границах зерен повышена концентрация тех примесей, которые понижают поверхностную энергию. Внутри зерен нарушается правильное кристаллическое строение.
Границы субзерен менее нарушены.
Все металлы имеют общие свойства: пластичность, высокую тепло– и электропроводность, специфический металлический блеск, повышают электросопротивление с ростом температуры.
Из жидкого расплава вырастает монокристалл, который представляет собой один кристалл. Размеры монокристаллов невелики, их используют в лабораториях для изучения свойств какого-либо вещества. Металлы и сплавы, которые получают в самых обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, они имеют поликристаллическое строение.
Изучение строения металлов с помощью рентгеноструктурного анализа и электронного микроскопа позволило установить, что внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки – это нарушения укладки атомов в решетке.
Расположение атомов в решетке может быть в форме центрированного куба (б– и в-железо, б-титан, хром, молибден, вольфрам, ванадий), куба, грани которого центрированы (г-железо, алюминий, медь, никель, свинец, в-кобальт) или гексагональны, или в форме ячейки (магний, цинк).
Зерна в поликристаллах не являются монолитными, а состоят из отдельных субзерен, которые повернуты одно относительно другого на малый угол. Субзерно является многогранником, в котором содержится либо незначительное количество дислокаций, либо их совсем нет. Основные характеристики субзерен: тип, расположение, строение, плотность дислокаций. Многие дислокации образуются в результате механического сдвига.
Границы субзерен и зерен в металлах разделяют на малоугловые и большеугловые. Малоугловые границы наблюдаются между субзернами и имеют дислокационное строение. Малоугловую границу можно представить с помощью ряда параллельных краевых дислокаций. Образование субзерен с малоугловыми дислокациями называется полигонизацией. Структура большеугловых границ более сложная. Субграницы образованы определенными системами дислокаций. В зависимости от того, какой материал и какое воздействие на него оказывает окружающая среда, находится расположение дислокаций. Если металл мало деформирован, то местом скопления дислокаций являются плоскости скольжения. Если же такие металлы, как алюминий, железо подвергаются сильной деформации, то дислокации представлены в виде сложных сплетений: пространств, сетки.
Структура, в которой субзерна разориентированны друг относительно друга на угол 15-300, является блочной или мозаичной.
Плотность дислокаций в металле повышается при увеличении угла разориентации субзерен и уменьшением их величины. Атомы, расположенные на границах зерен, и атомы на поверхности кристалла из-за нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия, имеют более высокую потенциальную энергию, по сравнению с атомами в объеме субзерен. Наличие дислокаций влияет на прочностные качества металлов. По теоретическим подсчетам предел упругости чистых металлов в 1000 раз превышает реальный, а предел упругости стали – в 100 раз.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Строение древесины
Строение древесины Сделав только поперечный срез, можно четко рассмотреть строение древесины. Каждый брусок необтесанного дерева имеет кору – это кожа дерева, которая не используется в работе, ее обязательно снимают. Под корой располагается зона роста дерева, которая
Строение древесины
Строение древесины Сделав только поперечный срез, можно четко рассмотреть строение древесины. Каждый брусок необтесанного дерева имеет кору – это кожа дерева, которая не используется в работе, ее обязательно снимают. Под корой располагается зона роста дерева, которая
ЛЕКЦИЯ № 1. Строение древесины
2. Макроскопическое строение древесины
2. Макроскопическое строение древесины При поперечном разрезе ствола дерева можно установить главные макроскопические признаки: заболонь, ядро, годичные слои, сердцевинные лучи, сосуды, смоляные ходы и сердцевинные повторения.У молодых деревьев всех пород древесина
1. Строение металлов
1. Строение металлов Металлы и их сплавы – основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот. Для того чтобы
V НОВЫЕ ГРАНИЦЫ
V НОВЫЕ ГРАНИЦЫ Советская страна так велика и так разнообразна, что нам потребовалось немало времени, чтобы обозреть ее физическую карту, ту основу, на которую уже потом общественная жизнь накладывает свой отпечаток — к изломам морского побережья, к змейкам рек, к
§ 3.3 Строение атомов и периодический закон Менделеева
§ 3.3 Строение атомов и периодический закон Менделеева Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости (или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию) от их атомных весов. Д.И. Менделеев Считается,
§ 3.6 Строение ядер
§ 3.6 Строение ядер Чем больше в ядре должно поместиться нуклонов, тем больше должна быть площадь поверхности ядра, где происходят присоединения то протонов, то нейтронов… Этим особенностям лучше всего отвечает форма ядра в виде двух пирамид Хеопса, соединённых
§ 4.14 Строение вещества и химическая связь
§ 4.14 Строение вещества и химическая связь Что, наконец, представляется нам затверделым и плотным, То состоять из начал крючковатых должно несомненно, Сцепленных между собой наподобие веток сплетённых. В этом разряде вещей, занимая в нём первое место, Будут алмазы
Глава 32 Строение Пространства – Времени
Глава 32 Строение Пространства – Времени «Действие есть кривизна Мира» Павел Дмитриевич Успенский, 1911 год Мы уже предполагали аналогии квантового строения микромира и макромира, при определенных условиях. Далее, будет показаны законы резонансного строения нашего
8. Плавление металлов и строение расплавов
8. Плавление металлов и строение расплавов Плавление – это физический процесс перехода металла из твердого состояния в жидкое расплавленное. Плавление – процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Поскольку
10. Строение слитка и аморфные сплавы
10. Строение слитка и аморфные сплавы Строение стального слитка впервые дано в 1878 г. Д.К. Черновым. Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона – наружная мелкозернистая корка, которая состоит из дезориентированных мелких кристаллов –
В реальном материале (сплаве) такие составляющие, как зерна, дендриты, волокна, гранулы, порошки, могут быть расположены различным образом, что и формирует его структуру.
Формирование структуры реальных металлов и сплавов (промышленных, экспериментальных) происходит во время последовательных технологических этапов получения изделия (детали) с заданными свойствами (рис. 3.4). После выбора химического состава сплава при традиционном способе изготовления проводят выплавку, разливку, деформацию (горячую и холодную), механическую обработку резанием, а также промежуточную и окончательную термическую обработку. На каждом технологическом этапе происходит изменение структуры материала — слитка, профиля, поковки и детали (изделия).
На каждом этапе формируется не идеальная (совершенная) кристаллическая структура, а искаженная, несовершенная. Это происходит по нескольким причинам. Реальный сплав состоит из множества монокристаллов, которые могут иметь различную форму (дендриты, зерна). Монокристаллы сложной древовидной, называют дендритами. Между дендритами существуют границы раздела, в которых кристаллическая решетка идеального кристалла искажена. Эти границы представляют собой поверхностные несовершенства (дефекты).
Внутри дендритов кристаллическая решетка также формируется неидеальной, поскольку в ней присутствуют посторонние плоскости, края которых являются линейными несовершенствами, называемые дислокациями.
Кроме дополнительных плоскостей, между основными узлами кристаллической решетки реального металла или сплава могут находиться посторонние атомы (междуузельные), а некоторые узлы могут быть вакантными, поскольку не заняты атомами. И междуузельные атомы, и вакансии представляют собой точечные несовершенства кристаллической структуры.
Таким образом, зерна, дендриты, несовершенства кристаллической решетки являются объектами структуры реального сплава, его структурными составляющими. Эти объекты периодически повторяются во всех частях сплава.
В зависимости от основного объекта структура может носить различные названия:
• дендритная структура, если объект — дендрит;
• зеренная структура, если объект — зерно;
• дислокационная, если объект — дислокация;
Технологии изготовления заготовок определяют формируемую структуру, которую принято называть:
В связи с тем, что объекты структуры имеют различные размеры, существует иерархия структурной организации материала:
• макроуровень — размеры структурных составляющих находятся в диапазоне значений 10в-3. 10в-1 м; изучаемая структура называется макроструктурой.
• микроуровень — размеры структурных составляющих в диапазоне значений 10в-4. 10в-7 м, изучаемая структура называется микроструктурой;
• субмикроуровень или наноуровень — размеры структурных составляющих в диапазоне значений 10в-7. 10в-9 м; изучаемая структура называется тонкой структурой и наноструктурой соответственно.
Прямое наблюдение и идентификацию структуры (ее визуализацию) проводят с помощью микроскопического (металлографического) анализа, при котором используют специальные приборы — микроскопы.
Дендриты образуются в сплаве с литой макроструктурой при кристаллизации; их форма и структура различны в зависимости от условий затвердевания слитка (рис. 3.5, а). Древовидная форма кристалла обусловлена стесненными условиями роста вследствие неравномерного охлаждения слитка.
При одновременном росте многих дендритов происходит их соприкосновение, между ними образуется граница, форма дендритов искажается. Такие кристаллы называются кристаллитами (рис. 3.5, б).
При последующем деформировании слитка кристаллиты и неметаллические включения претерпевают изменения — вытягиваются вдоль направления деформации. При макроанализе заготовок с деформированной макроструктурой выявляют вытянутые образования — так называемые волокна (рис. 3.6).
Зерно — это кристаллит с определенной ориентацией кристаллической решетки в пространстве, который отделен поверхностью раздела от другого зерна. Фактически зерна представляют собой монокристаллы, различным образом ориентированные в пространстве металлического объекта (заготовки и детали) и разделенные границами (рис. 3.5, в). Сплав является конгломератом монокристаллов, поэтому называется поликристаллическим.
Зерна образуются на различных этапах производства деталей:
• при горячей деформации;
• при термической обработке.
Из зерен, по-разному ориентированных в пространстве, состоят все промышленные сплавы, получаемые по традиционной технологии (выплавка —> разливка —> деформация —> обработка, в том числе термическая). Зеренная структура сплава характеризуется размером и формой зерна.
Размер зерна служит количественной характеристикой зеренной структуры, средний его диаметр находится в пределах 2,7. 250 мкм. При металлографическом анализе размер зерна оценивают в баллах (с увеличением в 100 раз) посредством сравнения наблюдаемой структуры с эталонной. Для оценки структуры стали приняты 14 эталонов (14-балльная система): каждый из баллов указывает на количество зерен в квадратном миллиметре шлифа, поэтому чем выше его значение, тем меньше размер зерна (ГОСТ 5639—78).
Сплавы и стали обычно подразделяют на крупнозернистые (балл зерна 1-6) и мелкозернистые (микрокристаллические) (балл зерна 7-14).
Форму зерна оценивают качественно: равноосная, вытянутая (ориентированная) (рис. 3.7). Для оценки анизотропии формы ориентированных зерен используют количественную характеристику — так называемый форм-фактор: коэффициент формы зерна l3/d3, который представляет собой отношение длины зерна к его ширине.
Гранулы — частица или нераздельный конгломерат частиц размером 1. 10 мм. Гранулы получают при высоких скоростях охлаждения (10в3. 10в5 К/с), когда расплав распыляют струей инертного газа или центробежным разбрызгиванием. При производстве гранул распыление расплава представляет собой один из способов перевода его в так называемый слиток, хотя размеры «слитка» (гранулы) чрезвычайно малы.
Порошки являются продуктом порошковой металлургии, включающей их производство, переработку и изготовление из них изделий. По сравнению с гранулами порошки (размером 50. 200 мкм) затвердевают при более высоких скоростях охлаждения (10в5. 10в6 К/с), которых достигают различными способами: распылением расплава, распылением вращающегося расходуемого электрода в инертном газе или вакууме и др. Путем смешивания, компактирования, спекания и последующей деформации из порошков и гранул формируют монолитные заготовки.
