Атомно-кристаллнческое строение металлов

Металлы и сплавы в твердом состоянии - кристаллические тела. Атомы в них расположены закономерно в узлах кристаллической решетки и колеблются с частотой порядка 10¹³ Гц. Связь в металлах и сплавах электростатическая, обусловленная силами притяжения и отталкивания между положительно заряженными ионами (атомами) в узлах кристаллической решетки и коллективизированными электро­нами проводимости, плотность которых составляет 10²²-10²³ электро­нов в 1 см³, что в десятки тысяч раз превышает содержание атомов и молекул в воздухе. От специфических свойств электронов проводи­мости зависят электромагнитные, оптические, тепловые и другие свойства метатлов. Атомы в решетке стремятся занять положение, соответствующее минимуму ее энергии, образуя плотнейшие упаков­ки - кубическую объемно- и гранецентрированную и гексагональную (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Координационные числа (плотность упаковки) кристаллических решеток: а) кубической гранецентрированной (К 12); б) объемноцентрированной (К8); в) гексагональной (К 12)

Плотность упаковки характеризуется координационным числом, представляющим собой число соседних атомов, находящихся на рав­ном и наименьшем расстоянии от данного атома. Чем больше число, тем плотнее упаковка. Для объемноцентрированной кубической упа­ковки оно равно 8 (К8); гранецентрированной - 12 (К 12); гексаго­нальной - тоже 12 (К12). В кубической объемноцентрированной ре­шетке кристаллизуются К, Na, Li, a-Fe, Mo, W, V, Cr, Ba и др.; куби­ческой гранецентрированной - Ni, Ag, Au, Pt, Cu, ^-Fe; в гексагональ­ной - Mg, Cd, Ru, Be, a-Ti, a-Zn и др.

Расстояние между центрами ближайших атомов в решетке назы­вается периодом решетки. Период решетки для большинства метал­лов находится в пределах 0, 1-0, 7 нм. Многие металлы в зависимости от температуры претерпевают структурные изменения кристалличе­ский решетки. Так желе­зо при температуре ниже 910°С и выше 1392°С имеет объемно - центри­рованную упаковку ато­мов с периодом решетки 0, 286 нм и обозначается a-Fe; в промежутке ука­занных температур кри­сталлическая решетка железа перестраивается в гранецентрированную с периодом 0, 364 нм, и обозначается y-Fe.

Перекристаллизация сопровождается выделе­нием тепла при охлажде­нии и поглощением при нагревании, фиксируе­мым на диаграммах по горизонтальным участ­кам (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Кривая охлаждения (нагревания)железа

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоя­щие из большого числа мелких кристаллов неправильной формы. В отличие от кристаллов правильной формы их называют кристаллита­ми или зернами. Кристаллиты различно ориентированы, поэтому во всех направлениях свойства металлов более или менее одинаковы, т.е. поликристаллические тела изотропны, Однако при одинаковой ориентации кристаллитов такой мнимой изотропности наблюдаться не будет. Кристаллическая решетка металлов и сплавов далека от идеального строения. В ней имеются дефекты - вакансии и дислока­ции (см.гл.1, § 5).

§ 3. Основы получения чугуна и стали

Чугун получают в ходе доменного процесса, основанного на вос­становлении железа из его природных оксидов, содержащихся в же­лезных рудах, коксом при высокой температуре. Кокс, сгорая, обра­зует углекислый газ. При прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который и восстанавливает железо в верхней части печи по обобщенной схеме: Fe20₃-> Fe304—► FeO-^Fe. Опускаясь в нижнюю горячую часть печи, железо плавится в сопри­косновении с коксом и частично растворяя его, превращается в чугун. В готовом чугуне содержится около 93% железа, до 5% углерода и небольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора, серы и некоторых других элементов, перешедших в чугун из пустой породы. В зависимости от количества и формы связи углерода и примесей с железом, чугуны имеют разные свойства, в том числе цвет, подразде­ляясь по этому признаку на белые и серые.

Сталь получают из чугуна путем удаления из него части углерода и примесей. Существуют три основных способа производства стали: конвертерный, мартеновский и электроплавильный.

Конвертерный основан на продувке расплавленного чугуна в больших грушевидных сосудах-конвертерах сжатым воздухом. Ки­слород воздуха окисляет примеси, переводя их в шлак; углерод выго­рает. При малом содержании в чугуне фосфора конвертеры футеруют кислыми огнеупорами, например динасом, при повышенном - основ­ными, периклазовыми. Соответственно выплавляемую в них сталь по традиции называют бессемеровской и томасовской. Конвертерный способ отличается высокой производительностью, обусловившей его широкое распространение. К недостаткам его относятся повышенный угар металла, загрязнение шлаком и наличие пузырьков воздуха, ухудшающими качество стали. Применение вместо воздуха кисло­родного дутья в сочетании с углекислым газом и водяным паром зна­чительно улучшает качество конвертерной стали.

Мартеновский способ осуществляется в специальных пе­чах, в которых чугун сплавляется вместе с железной рудой и метал­лоломом (скрапом). Выгорание примесей происходит за счет кисло­рода воздуха, поступающего в печь вместе с горючими газами и же­лезной рудой в составе оксидов. Состав стали хорошо поддается ре­гулированию, что позволяет получать в мартеновских печах высоко­качественные стали для ответственных конструкций.

Электроплавление является наиболее совершенным спо­собом получения высококачественных сталей с заданными свойства­ми, но требует повышенного расхода электроэнергии. По способу ее подведения электропечи подразделяются на дуговые и индукцион­ные. Наибольшее применение в металлургии имеют дуговые печи. В электропечах выплавляют специальные виды сталей - средне- и вы­соколегированные, инструментальные, жаропрочные, магнитные и другие.