Что такое микроструктура металла


Микроструктура металлов

Металлы состоят из совокупности атомов, упорядоченно расположенных в кристаллической структуре. Несмотря на то, что мы рассматривали процесс кристаллизации, как образование единичных кристаллов, металлы обычно не образуют единого кристалла при твердении (переходе из состояния, называемого расплавом), вместо этого они образуют структуру, состоящую из множества мелких кристаллов.

 

Это происходит потому, что внутри расплавленного металла рассеяно множество ядер или центров кристаллизации. Такие ядра могут образовываться при существенной потере тепловой энергии четырьмя атомами. Благодаря этому четыре атома способны образовать элементарную ячейку. Эти элементарные ячейки растут по мере того, как все большее количество атомов достигает низкого энергетического уровня и начинает присоединяться к ним, в результате чего и происходит образование кристалла. Этот процесс известен под названием гомогенной кристаллизации. Для того чтобы вырастить единый кристалл металла из всего имеющегося расплава, потребуется сложное специальное оборудование.

 

Чаще всего твердение инициируется присутствием примесей в расплаве металла. После того, как температура опустится ниже точки плавления, атомы металла станут осаждаться на этих примесях, и начнется образование кристаллов. Этот процесс известен под названием гетерогенной кристаллизации. Кристаллы (иначе называемые зернами) будут продолжать свой рост до тех пор, пока весь металл не затвердеет. Во время своего роста они начинают сталкиваться друг с другом, образуя границы между кристаллами, где атомы расположены беспорядочно. Эти границы, называемые границами зерен, обычно и являются дефектной областью кристаллической структуры металла.

 

На Рис. 1.5.1 схематически изображен процесс твердения металла. Малый размер зерен обусловливает положительные свойства металла, благодаря повышению его предела текучести, однако в данный момент мы не будем рассматривать причины, по которым это происходит. Одним из способов получения мелкозернистых структур является быстрое твердение расплава, которое используют при литье стоматологических золотых сплавов в литейные формы, разогретые до более низких температур по сравнению с температурой плавления сплава. Альтернативным способом получения мелкозернистых структур является обеспечение множества центров кристаллизации. Это можно получить добавкой иридия к стоматологическим литейным сплавам на основе золота. Иридий создает множество центров кристаллизации и, тем самым, позволяет ограничить рост зерен.

 

Рис. 1.5.1. Процесс твердения металла

 

Детальное изучение структуры металлов, а именно, размеров кристаллов, их формы и состава, исключительно важно для выяснения их свойств и технологии получения. Некоторые представления о структуре металлов может дать изучение металлических поверхностей под электронным микроскопом в отраженном свете.

 

Свет отражается от полированной металлической поверхности, и характер отражения будет зависеть от наличия на ней неровностей, приводящих к его рассеянию.

 

 Химическое воздействие на полированную поверхность металла (называемое травлением) также приведет к изменению характера отражения света. Соответствующие химические реактивы воздействуют на определенные области, находящиеся на поверхности металла в зоне повышенного механического напряжения, т.е. на границы зерен, в которых упаковка атомов не полностью упорядочена. Травление приводит к образованию канавок, рассеивающих свет, которые выгладят более темными линиями. Этот эффект схематически изображен на Рис. 1.5.2 для металла с выраженной однородной структурой зерен. Все зерна обладают приблизительно одинаковыми размерами и формой; такая структура зерен называется равноосной. Примером металла с такой структурой зерен служит доэвтектоидная гипоэвтектоидная нержавеющая сталь, поверхность которой после травления представлена на Рис. 1.5.3. Возможны и другие формы и размеры зерен, и очень часто они зависят от вида технологической обработки, используемого при твердении расплава. Например, если расплавленный металл заливать в форму с квадратным или круглым сечением, температура которой будет ниже, чем у расплава, структура затвердевшего металла будет выглядеть так, как показано на Рис. 1.5.4, т.е. кристаллы растут от стенок формы к центру.

 

Рис. 1.5.2. Отражение падающего света от протравленной поверхности металла

 

 Рис. 1.5.3. Зернистая структура гипоэвтектоидной нержавеющей стали

 

Рис. 1.5.4. Зернистая структура в зависимости от условий твередения расплава

 

 

Многие металлы легко деформируются, особенно, если они находятся в элементарном (т.е. чистом) состоянии. Это позволяет придавать им любую желаемую форму ударами молота, путем проката, прессования или протяжки. Крупные отливки, известные под названием слитков, могут быть превращены в изделия любой требуемой формы, например, в крыло автомобиля, остов лодки или проволоку.

 

Металл, форма которого была изменена путем деформации, называется кованым. Если бы стали изучать под оптическим микроскопом микроструктуру металлической проволоки, то она выглядела бы так, как показано на рисунке Рис. 1.5.5. Зерна вытянуты в направлении протяжки и образуют слоистую структуру.

 

Рис. 1.5.5. Вытянутые кристаллические зерна в структуре металлической проволоки, полученные в результате протяжки

 

Таким образом, изучая микроскопическую структуру металла, можно получить о нем много информации.

Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт

Опубликовал Константин Моканов

Микроструктура | Металлургия для чайников

Микроструктура определяется как структура подготовленной поверхности или тонкой фольги материала, выявленная под микроскопом при увеличении более 25 раз. Микроструктура материала (который можно в целом разделить на металлические, полимерные, керамические и композитные) может сильно отличаться. влияют на физические свойства, такие как прочность, ударная вязкость, пластичность, твердость, коррозионная стойкость, поведение при высоких / низких температурах, износостойкость и т. д., которые, в свою очередь, определяют применение этих материалов в промышленной практике.

Микроструктура сварного шва дуплексной нержавеющей стали, 2205, исходное увеличение 250X. Цветная смесь фаз аустенита, феррита и сигма.
Микроструктура аустенитной нержавеющей стали

Поверхность излома Al2O3 на сканирующем электронном микроскопе

Осторожный ковкий чугун ADI, микроструктура - сфероиды графита в матрице аусферрита (смесь игольчатого феррита и аустенита
Микроструктура стали ASTM A36, показывающая феррит (белый) и перлит (черный).
Микроструктура закаленной горячекатаной стали, содержащей 0,36% углерода, с проявлением бейнита (x 200)
Горячекатаные высокопрочные низколегированные (HSLA) стали

Микроструктура HSS - мелкозернистая структура при 1000x, показывающая равномерное распределение карбидов
Бериллиевая медь (медь с 2% бериллия и 1/4% кобальта или никеля) используется для изготовления искробезопасных инструментов для использования в средах с серьезной опасностью взрыва.
Микроструктура меди
Микроструктура Алюминиевая бронза (Cu 87.1, Al 9.3, Fe 3.6) Пруток, экструдированный и холоднотянутый 10%
Микроструктура оловянной латуни (Cu 59,0-62,0, Zn 36,7-40,0, Sn 0,5-1,0, Pb 0,20, Fe 0,10) Литой и горячекатаный
Микроструктура никель-серебра (Cu 63-67, Ni 19,0-21,5, Zn 3-9, Sn 3,5-4,5, Pb 3-5, Fe 1,5, Mn 1,0, Sb 0,25, S 0,08) Литой

Микроструктура золота и меди

Возможно вам понравится

Случайные столбы

  • Глубокая вытяжка
    Технология производства глубокой вытяжки - это вытягивание листового металла, обычно называемого заготовкой, вокруг a...
  • Анализ отказов
    Анализ отказов - это процесс сбора и анализа данных для определения причины отказа. ...
  • Порошковая металлургия
    Порошковая металлургия - это технология формовки и изготовления, состоящая из трех основных этапов обработки. ...
  • Что такое нанотехнологии?
    Нанотехнология - это инженерный метод, при котором полностью функционирующие устройства производятся в молекулярном масштабе. ...
  • Как производится алюминий
    Производство алюминия осуществляется в два этапа: процесс Байера для очистки бокситовой руды с получением оксида алюминия...
.

Микроструктура металлов | Статья о микроструктуре металлов по The Free Dictionary

Структура металла, выявленная с помощью оптического или электронного микроскопа. Впервые микроскоп был использован для исследования металлов П. П. Аносовым в 1831 г. при исследовании булатной стали.

Металлы и сплавы состоят из большого количества кристаллов (зерен) неправильной формы, которые обычно не различимы невооруженным глазом. Зерна округлые или удлиненные; они могут быть большими или маленькими и располагаться в обычном порядке или случайным образом.Форма, размер, расположение и ориентация зерен зависят от условий их образования.

Часть микроструктуры, которая имеет однородную структуру, называется структурным компонентом (например, избыточные кристаллы, эвтектики и эвтектоиды, особенно для ферроуглеродных сплавов аустенита, феррита, цементита, перлита, ледебурита и мартенсита).

Количественное соотношение структурных компонентов сплава определяется его химическим составом и условиями его нагрева и охлаждения.Микроструктура также характеризуется расположением и количеством определенных дефектов решетки. Многие механические и физические свойства материалов зависят от микроструктуры.

Большая Советская Энциклопедия, 3-е издание (1970-1979). © 2010 The Gale Group, Inc. Все права защищены.

.

Формирование микроструктуры - tec-science

  • Дом
  • Механика
    • Газы и жидкости
  • Химия
    • Структура вещества
    • Атомарные модели
    • Химические связи
  • Материаловедение
    • Структура металлов
    • Пластичность металлов
    • Затвердевание металлов
    • Сплавы
    • Сталеплавильное производство
    • Фазовая диаграмма железо-углерод
    • Термическая обработка сталей
    • Испытания материалов
  • Механическая трансмиссия
    • Основы
    • Типы шестерен
    • Ременная передача
    • Планетарная передача
    • Циклоидальный привод
    • Эвольвентная шестерня
    • Циклоидальная передача
  • Термодинамика
    • Температура
    • Кинетическая теория газов
    • Тепло
  • Оптика
    • Оптика

Войти

.

Обзор микроструктур стали

Рисунок 1 . Небольшие промежутки между атомами, называемые пустотами, - это места, где подходят такие маленькие элементы, как углерод и азот. По мере того, как легирование увеличивается, напряжение в атомной решетке увеличивается, требуя большего усилия для деформации заготовки, тем самым увеличивая прочность.

Любой чистый элемент мягок и пластичен. Вот почему обручальные кольца никогда не делают из чистого 24-каратного золота. Обычно они сделаны из 12-каратного золота, которое на 50 процентов состоит из золота и на 50 процентов «примесей».”

Точно так же чистое железо чрезвычайно мягкое и не используется в конструкциях. Однако железо с содержанием углерода до 2 процентов известно как сталь, что делает его наиболее широко используемым конструкционным материалом в мире.

Микроскопически чистое железо можно представить как трехмерную решетку из сложенных бильярдных шаров. Для большинства низкоуглеродистых сталей более 99 процентов микроструктуры по-прежнему составляет железо, а все другие элементы, объединяясь, обычно составляют менее 1 процента от общего состава.Как бы хорошо ни были упакованы бильярдные шары, между ними всегда будут какие-то зазоры. Эти небольшие промежутки известны как пустоты. В эти зазоры могут поместиться мельчайшие элементы, такие как углерод и азот. Более крупные атомы, такие как марганец, магний, кремний и фосфор, замещают железо в решетке (см. Рисунок 1).

Когда очень небольшая часть промежутков между решеткой железа занята атомами углерода, эта сталь без зазоров (IF) имеет микроструктуру из феррита .Феррит имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру (см. , рис. 2а, ). Феррит - это мягкая, пластичная микроструктурная фаза, похожая на чистое железо.

Существует предел того, сколько углерода может поместиться в зазоры в ферритной структуре: 0,02 процента углерода при 1340 градусах F (725 градусов Цельсия), но снижается до 0,006 процента (60 частей на миллион) углерода при комнатной температуре.

Зазоры немного больше в фазе, известной как аустенит , которая имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую структуру (см. , рис. 2b, ).При температуре около 2100 градусов F (1150 градусов C) в микроструктуру аустенита может поместиться до 2 процентов углерода.

Поскольку сталь медленно остывает от этой температуры и углерод вытесняется из раствора, аустенит превращается в комбинацию феррита и другой фазы, называемой цементитом , также известным как карбид железа, который имеет химический состав Fe3C. Количество образующегося цементита зависит от количества углерода в стали. Поскольку феррит не может содержать более 60 частей на миллион углерода при комнатной температуре, остальная часть углерода превращается в цементит.

В отличие от феррита, цементит имеет характеристики керамики: очень твердый и хрупкий, с низкой ударной вязкостью и низким сопротивлением возникновению и распространению трещин. Смесь феррита и цементита называется перлит , потому что под микроскопом она выглядит как перламутр с чередующимися слоями феррита и цементита.

Мартенсит выходит на поверхность

При более быстром охлаждении возникает другая динамика. Выше критической скорости охлаждения (обычно выше 86 градусов по Фаренгейту в секунду, но в зависимости от сплава) избыточный углерод аустенита ГЦК не успевает диффундировать из кристаллической структуры и образовывать цементит.Вместо этого углерод захватывается теперь почти чистым железом и вытесняется в промежуточные места, которые недостаточно велики для размещения атомов углерода. Это искажает и деформирует кристаллическую матрицу в объемно-центрированную тетрагональную (BCT) структуру (см. , рис. 2c ), образуя твердую фазу, называемую мартенситом .

При более высоком содержании углерода больше углерода вмерзает в структуру BCT, дополнительно напрягая кристаллическую матрицу. Вот почему твердость мартенсита увеличивается с увеличением содержания углерода.Объем мартенситной структуры BCT больше, чем у аустенита FCC, поэтому свежепревращенный мартенсит сжимается окружающей матрицей.

Рисунки 2a, 2b и 2c . Это примеры кристаллографических структур. Разные цвета представляют разные слои атомов железа. Размер атомов железа практически одинаков в каждой из этих структур. Единственные отличия заключаются в плотности, размерах и размерах щелей внутри этих элементарных ячеек.В эти зазоры могут поместиться мельчайшие элементы, такие как углерод. Феррит (а) имеет объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру. Аустенит (б) имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. Мартенсит (c) имеет объемноцентрированную тетрагональную кристаллическую структуру.

Если мартенсит нагревается, углерод имеет возможность диффундировать из структуры BCT, уменьшая искажение кристаллической матрицы, что приводит к снижению твердости и повышению ударной вязкости. Эта термообработка дает микроструктуру феррита и карбида железа (Fe3C), которая называется отпущенным мартенситом .Сильно деформированная мартенситная матрица приводит к увеличению количества центров зарождения Fe3C в отпущенном мартенсите, что приводит к более диспергированному распределению Fe3C, чем это наблюдается в ламеллярной (слоистой) структуре перлита. Объем BCC-феррита меньше, чем объем BCT-мартенсита, так что при отпуске мартенсита некоторые из остаточных мартенситных сжимающих напряжений при переходе аустенита в мартенсит снимаются.

Остаточный аустенит - термин, используемый для аустенита, который не превращается в мартенсит во время закалки.Количество остаточного аустенита является функцией нескольких факторов, включая содержание углерода и легирование, специально способствующие сохранению аустенитной структуры. Например, аустенитные нержавеющие стали, такие как 304 и 316, спроектированы так, чтобы быть полностью аустенитными при комнатной температуре.

Бейнит - это еще одна микроструктура, которая может образовываться при охлаждении аустенита. Обычно он состоит из комбинации феррита, цементита и остаточного аустенита. Поскольку скорость охлаждения для образования бейнита ниже, чем скорость охлаждения, необходимая для образования мартенсита, углерод имеет некоторую возможность диффундировать из аустенита FCC, что позволяет образовывать феррит BCC.Оставшийся аустенит обогащен углеродом, что приводит к осаждению цементита. Однако медленные скорости охлаждения, которые создают плоскую хрупкую структуру перлита, не существуют; более высокая скорость охлаждения, необходимая для производства бейнита, дает более твердым компонентам микроструктуры достаточно энергии для преобразования в более округлую форму.

Бейнитные микроструктуры обладают наилучшим балансом прочности и пластичности. Скорость охлаждения достаточно высока для увеличения прочности, в то время как округлые твердые микроструктурные составляющие не так склонны к зарождению и распространению трещин, чем если бы они были плоскими и удлиненными.Благодаря балансу прочности и прочности все большее количество автомобильных колес и рычагов подвески изготавливается из бейнитных сталей.

(Рисунок 1 взят с http://image.thefabricator.com/a/stamping-101-material-guidelines-atom-interstices.gif)

.

Смотрите также