โครงสร้างภายในของโลหะผสม โครงสร้างภายในของโลหะและโลหะผสม โครงสร้างผลึกของโลหะ

เช่นเดียวกับร่างกายอื่นๆ รอบตัวเรา Etals ประกอบด้วยอนุภาคเดี่ยวๆ ซึ่งมองไม่เห็นแม้แต่ในกล้องจุลทรรศน์ที่ทรงพลังที่สุดที่เรียกว่าอะตอม แต่อะตอมก็ถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่านั้นอีก เช่น โปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตรอน โปรตอนและอิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้า โปรตอนมีประจุบวก และอิเล็กตรอนมีประจุลบ ในขณะที่นิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้า

หากโปรตอนสองตัวอยู่ใกล้กัน พวกมันจะผลักกันเพราะพวกมันมีประจุไฟฟ้าเท่ากัน อิเล็กตรอนสองตัวมีพฤติกรรมเหมือนกัน ในทางตรงกันข้ามโปรตอนและอิเล็กตรอนถูกดึงดูดเข้าหากัน และแรงดึงดูดซึ่งกันและกันของโปรตอนและอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากัน กล่าวคือ โปรตอนมีประจุไฟฟ้าเบื้องต้นเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน

อะตอมที่อยู่ในสถานะปกติ กล่าวคือ เมื่ออะตอมมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน จะไม่มีประจุไฟฟ้า แต่มีสถานะของอะตอมเมื่อมันได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอน อะตอมจะมีประจุไฟฟ้า เมื่อมีอิเล็กตรอนมากเกินไป อะตอมจะมีประจุไฟฟ้าลบ และเมื่อมีอิเล็กตรอนไม่เพียงพอ อะตอมจะมีประจุไฟฟ้าบวก อะตอมเหล่านี้ซึ่งมีอิเล็กตรอนเกินหรือขาดเรียกว่าไอออน

อนุภาคมูลฐานอยู่ในอะตอมได้อย่างไร?

ปัจจุบันเชื่อกันว่าอะตอมมีโครงสร้างดังนี้ โปรตอนและนิวตรอนประกอบกันเป็นนิวเคลียสซึ่งอยู่ที่ศูนย์กลางของอะตอม อิเล็กตรอนไหลเวียนรอบนิวเคลียสและก่อตัวเป็นเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม ในแต่ละอะตอม จำนวนอิเล็กตรอนจะเท่ากับจำนวนโปรตอน

อิเล็กตรอนในเปลือกอิเล็กตรอนถูกจัดเรียงเป็นชั้นๆ แต่ละชั้นสามารถเก็บอิเล็กตรอนได้จำนวนหนึ่งเท่านั้น ชั้นแรกซึ่งล้อมรอบนิวเคลียสนั้นสามารถรองรับอิเล็กตรอนได้เพียงสองตัวเท่านั้น ชั้นที่สอง - 8 และชั้นที่สาม - ตั้งแต่ 8 ถึง 18 อิเล็กตรอน แต่ละชั้นใหม่ของอิเล็กตรอนในระหว่างการเปลี่ยนจากอะตอมหนึ่งไปอีกอะตอมหนึ่งมักจะเกิดขึ้นหลังจากเติมชั้นในที่อยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากที่สุด

ตัวอย่างเช่นพบว่านิวเคลียสของอะตอมโซเดียมมีโปรตอน 11 ตัวและมีอิเล็กตรอน 11 ตัวกระจายอยู่ในสามเปลือก: ในครั้งแรก - 2 ในวินาที - 8 และในสาม -

1 อิเล็กตรอน นิวเคลียสของอะตอมรูบิเดียมประกอบด้วยโปรตอน 37 ตัวและล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอน 37 ตัวซึ่งอยู่ในห้าเปลือก: ในครั้งแรก - 2 ในวินาที - 8 ในสาม - 18 ในสี่ - 8 ในห้า - 1 อิเล็กตรอน อะตอมของยูเรเนียมมีโครงสร้างที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน 92 ตัว และเปลือกอิเล็กตรอนมี 92 อิเล็กตรอน

โปรตอนและนิวตรอนมีน้ำหนักเกือบเท่ากัน และอิเล็กตรอนก็เบากว่าโปรตอนเกือบ 1,840 เท่า ซึ่งหมายความว่าอะตอมส่วนใหญ่บรรจุอยู่ในนิวเคลียสของมัน ยิ่งนิวเคลียสมีนิวตรอนและโปรตอนมากเท่าใด อะตอมก็จะมีน้ำหนักมากขึ้นเท่านั้น

ไม่สะดวกอย่างยิ่งที่จะแสดงน้ำหนักของอะตอม เช่น เป็นกรัม จำเป็นต้องเขียนเลขศูนย์หลายสิบหลังจุดทศนิยม ดังนั้นจึงมีการนำเสนอแนวคิดเรื่องน้ำหนักสัมพัทธ์ของอะตอม น้ำหนักอะตอม ในตอนแรก น้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจนจะถูกนำมารวมเป็นหนึ่ง น้ำหนักอะตอมของธาตุอื่นๆ ทั้งหมดถูกนำมาเปรียบเทียบด้วย

ระบบองค์ประกอบทางเคมีที่กลมกลืนถูกสร้างขึ้นโดยนักเคมีชาวรัสเซียผู้ยิ่งใหญ่ D.I. Mendeleev ในปี 1869 ตามกฎที่เขาค้นพบ

สาระสำคัญของกฎของเมนเดเลเยฟคือองค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดซึ่งจัดเรียงกันเพื่อเพิ่มน้ำหนักอะตอมจะก่อตัวเป็นชุดซึ่งคุณสมบัติทางเคมีขององค์ประกอบจะทำซ้ำเป็นระยะผ่านองค์ประกอบจำนวนหนึ่ง

D.I. Mendeleev จัดองค์ประกอบทางเคมีไว้ในตารางของเขาเพื่อให้องค์ประกอบที่อยู่ในคอลัมน์แนวตั้งเดียวกันมีคุณสมบัติทางเคมีคล้ายคลึงกัน เมื่อทราบตำแหน่งของธาตุในตาราง เราก็สามารถกำหนดคุณสมบัติทางเคมีส่วนใหญ่ของธาตุและสารประกอบของมันได้ องค์ประกอบทางเคมีแต่ละองค์ประกอบในตารางธาตุมีหมายเลขประจำเครื่อง ปัจจุบันเรียกว่าหมายเลขเมนเดเลเยฟ ตัวเลขนี้ระบุจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส คอลัมน์แนวตั้งเดียวกันของตารางประกอบด้วยอะตอมที่มีจำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกนอกเท่ากัน

คุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพขององค์ประกอบจะเปลี่ยนไปขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกนอก

อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันซึ่งต่างกันเพียงจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสเรียกว่าไอโซโทป "ไอโซโทป" เป็นคำภาษากรีก แปลว่า "ครอบครองที่เดียวกัน" ไอโซโทปของแต่ละธาตุอยู่ในเซลล์เดียวกันของตารางธาตุ เนื่องจากประจุนิวเคลียร์ (จำนวนรอบ) จะเท่ากันสำหรับไอโซโทปของธาตุเดียวกัน โลหะต่างจากวัตถุที่เป็นของเหลวและก๊าซตรงที่เป็นวัตถุที่เป็นผลึกภายใต้สภาวะปกติ คริสตัลคือรูปร่างปกติที่ล้อมรอบด้วยพื้นผิวเรียบ

โครงสร้างภายในของผลึกได้รับการศึกษาค่อนข้างดีโดยใช้รังสีเอกซ์ ด้วยการส่องคริสตัลด้วยคริสตัล พวกมันจะได้รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ เช่น รูปภาพบนแผ่นถ่ายภาพ ซึ่งเป็นที่ใช้กำหนดตำแหน่งของอะตอมในโครงตาข่ายคริสตัลและระยะห่างระหว่างอะตอมเหล่านั้น รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์แสดงให้เห็นว่าไอออนของโลหะถูก "อัดแน่น" ในคริสตัลในลักษณะเดียวกับที่ลูกบอลแข็งซ้อนกันในกล่อง

อะตอมของโลหะต่างกันจะเกิดโครงผลึกต่างกัน ส่วนใหญ่มักจะมีตะแกรงสามประเภท

ประเภทแรกคือโครงตาข่ายที่มีศูนย์กลางเป็นลูกบาศก์ (รูปที่ 1) อะตอมของโลหะในโครงตาข่ายดังกล่าวจะอยู่ที่จุดยอดและศูนย์กลางของลูกบาศก์ ทุกอะตอมถูกล้อมรอบ

แปดอะตอม โลหะวาเนเดียม, ทังสเตน, โมลิบดีนัม, ลิเธียม, โครเมียมและอื่น ๆ มีโครงตาข่ายดังกล่าว

ขัดแตะประเภทที่สองคือลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางหน้า (รูปที่ 2) อะตอมของโลหะที่อยู่ในนั้นตั้งอยู่ที่จุดยอดของใบหน้าลูกบาศก์ ตัวอย่างเช่น อลูมิเนียม ตะกั่ว ทอง เงิน นิกเกิล และทอเรียม มีโครงตาข่ายเช่นนี้

ประเภทที่สามคือโครงตาข่ายอัดแน่นหกเหลี่ยม (หกเหลี่ยม) (รูปที่ 3) พบได้ในสังกะสี แมกนีเซียม แคดเมียม และเบริลเลียม

ในรูป อะตอม 1-3 อะตอมถูกแสดงเป็นลูกบอลตามอัตภาพ อะตอมจะใช้พื้นที่ในนั้นมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับประเภทของขัดแตะ ตัวอย่างเช่น ในโครงตาข่ายที่มีศูนย์กลางร่างกายเป็นลูกบาศก์ อะตอมจะใช้พื้นที่ 68% ของพื้นที่ และในโครงตาข่ายซึ่งมีศูนย์กลางอยู่ที่ใบหน้าลูกบาศก์นั้น 74%

การจัดเรียงอะตอมในโครงผลึกมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติของโลหะ

สำหรับโลหะบางชนิด ตาข่ายคริสตัลสามารถจัดเรียงใหม่จากประเภทหนึ่งไปอีกประเภทหนึ่งได้ ตัวอย่างเช่น เหล็กบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 910° มีลูกบาศก์
โครงตาข่ายมีศูนย์กลางที่ลำตัว และสูงกว่า 910° โครงตาข่ายจะมีใบหน้าเป็นศูนย์กลาง โลหะเช่นดีบุก ยูเรเนียม ไทเทเนียม แทลเลียม เซอร์โคเนียม แลนทานัม และซีเรียม ก็มีความสามารถในการเปลี่ยนโครงตาข่ายคริสตัลเช่นกัน

คุณสมบัติของสารที่ก่อให้เกิดโครงตาข่ายที่มีรูปร่างต่างกันเรียกว่า allotropy แปลจากภาษากรีก

ในภาษาคำนี้หมายถึง "การบิดอีกอย่างหนึ่ง" "ทรัพย์สินอีกอย่างหนึ่ง" การจัดสรรผลึกคาร์บอนเป็นที่รู้จักกันดี อาจเป็นกราไฟท์และเพชรก็ได้ กราไฟท์และเพชรถูกสร้างขึ้นจากอะตอมของคาร์บอน ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือโครงสร้างของโครงตาข่ายคริสตัล และคุณสมบัติต่างกันมากจริงๆ! กราไฟท์มีความนุ่ม

แร่ทึบแสงสีดำ ในทางกลับกัน เพชรกลับมีความโปร่งใส ไม่มีสี และแข็ง

อะตอมในโครงตาข่ายคริสตัลของโลหะตั้งอยู่ใกล้กันมากจนอิเล็กตรอนชั้นนอกของพวกมันสามารถเคลื่อนที่ได้ไม่เพียงแค่รอบอะตอมเดียวเท่านั้น แต่ยังรอบๆ อะตอมหลายอะตอมอีกด้วย ด้วยเหตุนี้ อิเล็กตรอนภายนอกซึ่งกระจายอย่างเท่าๆ กันในโลหะ จะเคลื่อนที่อย่างอิสระทั่วทั้งชิ้นโลหะ ทำให้เกิดก๊าซอิเล็กตรอนชนิดหนึ่ง

ดังนั้นโลหะใด ๆ จึงเป็นโครงตาข่ายของไอออนบวกที่อยู่เป็นประจำซึ่งเต็มไปด้วยก๊าซอิเล็กตรอน ความแข็งแรงสูงของโลหะอธิบายได้จากการมีอยู่ของก๊าซอิเล็กตรอนซึ่งห่อหุ้มไอออนทั้งหมดไว้ ทำให้ผลึกโลหะกลายเป็นหนึ่งเดียว

ไอออนที่อยู่ในบางจุด (โหนด) ของโครงตาข่ายคริสตัลสามารถเคลื่อนที่และแกว่งไปมาได้ ในโลหะที่ไม่ได้รับความร้อน การสั่นสะเทือนของไอออนจะช้าลง แต่ในโลหะที่ได้รับความร้อน ไอออนจะเกิดการสั่นสะเทือนที่รุนแรง ยิ่งอุณหภูมิสูงไอออนก็จะยิ่งแกว่งมากขึ้น ในที่สุด ช่วงเวลาหนึ่งก็มาถึงเมื่อแรงอันตรกิริยาไม่สามารถกักเก็บไอออนไว้ที่จุดยอดของโครงตาข่ายคริสตัลได้อีกต่อไป และพังทลายลง โลหะเปลี่ยนจากสถานะของแข็งเป็นสถานะของเหลว นี่คือจุดหลอมเหลว

หากโลหะหลอมเหลวสองชนิดผสมกันอย่างทั่วถึง หลังจากการแข็งตัวจะได้โลหะผสมของโลหะเหล่านี้ โลหะผสมยังได้มาจากการผสมโลหะกับอโลหะ เช่น เหล็กกับคาร์บอน อลูมิเนียมกับซิลิกอน เป็นต้น คุณสมบัติของโลหะผสมที่ได้นั้นไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบใดที่รวมอยู่ในโลหะผสมเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับองค์ประกอบภายในด้วย โครงสร้างหรือตามที่พวกเขาพูด โครงสร้างของโลหะผสม . โลหะผสมก็เป็นตัวผลึกเช่นกัน

โครงสร้างของโลหะผสมอาจแตกต่างกัน ส่วนประกอบที่เป็นส่วนประกอบของโลหะผสมสามารถก่อตัวเป็นส่วนผสมเชิงกล สารละลายของแข็ง หรือสารประกอบทางเคมีก็ได้ แต่มีโลหะผสมที่มีทั้งส่วนผสมเชิงกล สารละลายของแข็ง และสารประกอบทางเคมี

ส่วนผสมเชิงกลจะได้มาเมื่อส่วนประกอบไม่มีปฏิกิริยาทางเคมี แต่มีอยู่ในโลหะผสมในรูปของผลึกขนาดเล็กที่เป็นอิสระ

ลิโคฟ. สามารถสังเกตได้เมื่อดูพื้นผิวที่ขัดเงาผ่านกล้องจุลทรรศน์ ส่วนผสมทางกลเกิดขึ้นได้ เช่น โดยการผสมตะกั่วกับพลวง บิสมัทกับแคดเมียม เป็นต้น

ทุกคนรู้วิธีแก้ปัญหาของน้ำตาลหรือเกลือแกงในไอโอดีน โดยการละลายน้ำตาลหรือเกลือแกงในน้ำคุณจะได้สารที่เป็นเนื้อเดียวกัน - สารละลายของเหลว คุณสามารถละลายน้ำตาลในปริมาณต่างๆ ในน้ำหนึ่งแก้วได้

ปรากฎว่าระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันขององค์ประกอบแปรผันก็เกิดขึ้นในของแข็งเช่นกัน เรียกว่าสารละลายที่เป็นของแข็ง ในนั้นอะตอมของตัวถูกละลายและตัวทำละลายจะ "กระจัดกระจาย" และผสมเข้าด้วยกัน ในโครงผลึกของสารที่เป็นตัวทำละลาย อะตอมบางส่วนจะถูกแทนที่ด้วยอะตอมของตัวถูกละลาย (รูปที่ 4) สารละลายดังกล่าวเรียกว่าสารละลายของแข็งทดแทน พวกมันถูกสร้างขึ้นโดยการหลอมรวม เช่น โลหะ ทองแดงและนิกเกิล เหล็กและโครเมียม ทองและทองแดง เงินและทอง ทองแดงและแพลตตินัม เป็นต้น

การแทนที่อะตอมบางตัวด้วยอะตอมอื่นในโครงผลึกจะเกิดขึ้นหากอะตอมของโลหะที่ละลายมีขนาดใกล้เคียงกับอะตอมของตัวทำละลาย หากขนาดอะตอมต่างกันเกิน 15% สารละลายของแข็งทดแทนจะไม่สามารถก่อตัวได้

เมื่อขนาดอะตอมแตกต่างกันมาก จะเกิดสารละลายของแข็งคั่นระหว่างหน้าขึ้น ส่วนใหญ่มักจะได้รับเมื่อโลหะละลายองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะซึ่งมีอะตอมน้อยกว่าอะตอมของโลหะมาก โลหะผสมที่พบมากที่สุดซึ่งสร้างขึ้นตามประเภทของสารละลายของแข็งคั่นระหว่างหน้าคือโลหะผสมของเหล็กและคาร์บอน โลหะผสมนี้เรียกว่าเหล็ก ในระหว่างการก่อตัวของสารละลายของแข็งคั่นระหว่างหน้า อะตอมขององค์ประกอบคั่นระหว่างหน้าจะอยู่
ในช่องว่างของโครงตาข่ายคริสตัลระหว่างอะตอมของตัวทำละลาย โครงตาข่ายคริสตัลของสารละลายของแข็งคั่นระหว่างหน้าแสดงไว้ในรูปที่ 1 5.

เป็นไปได้ไหมที่จะละลายโลหะชนิดหนึ่งลงในอีกโลหะหนึ่ง? ความสามารถในการละลายไม่จำกัดไม่มีอยู่ในโลหะทุกชนิด ตัวอย่างเช่น ในทองแดง สามารถละลายนิกเกิลในปริมาณเท่าใดก็ได้ ในทำนองเดียวกัน ทองแดงจำนวนเท่าใดก็ได้สามารถละลายในนิกเกิลได้ ตัวทำละลายถือเป็นโลหะที่มีปริมาณมากขึ้นในโลหะผสมตามน้ำหนัก

โลหะหลายชนิดมีความสามารถในการละลายจำกัด ตัวอย่างเช่น ทองแดงไม่เกิน 5.5% โดยน้ำหนักสามารถละลายในอลูมิเนียมได้ ด้วยปริมาณที่มากขึ้น ทองแดงจึงมีอยู่ในโลหะผสมในรูปของอนุภาคที่ไม่ละลายแต่ละตัว ยิ่งอุณหภูมิของสารละลายแข็งสูงขึ้นเท่าใดทองแดงก็สามารถละลายในอลูมิเนียมได้มากขึ้นเท่านั้น (แต่ไม่เกิน 5.5%) เมื่อโลหะผสมนี้ถูกทำให้เย็นลงทองแดงจะถูกปล่อยออกมาในรูปของอนุภาคขนาดเล็กที่แข็งมากและเปราะ

อนุภาคเหล่านี้มีลักษณะอย่างไร? ปรากฎว่านี่ไม่ใช่ทองแดงบริสุทธิ์ แต่เป็นสารประกอบทางเคมีกับอลูมิเนียม ทองแดงส่วนเกินในโลหะผสมจะทำปฏิกิริยากับอะลูมิเนียมทางเคมี ผลึกของสารประกอบเคมีใดๆ ในโลหะผสมมีองค์ประกอบเฉพาะเจาะจงมาก ตัวอย่างเช่น ในการก่อตัวของสารประกอบทางเคมี: เหล็กกับคาร์บอนเรียกว่าเหล็กคาร์ไบด์ อะตอมของเหล็กสามอะตอมจะถูกพันธะทางเคมีกับอะตอมของคาร์บอนหนึ่งอะตอม อลูมิเนียมกับทองแดง - อลูมิเนียมสองอะตอมเชื่อมต่อกับอะตอมทองแดงหนึ่งอะตอม ในการสร้างทังสเตนหรือวาเนเดียมคาร์ไบด์อัตราส่วนของอะตอมของโลหะเหล่านี้และอะตอมของคาร์บอนจะต้องเท่ากับ 1: 1 และในโครเมียมคาร์ไบด์อะตอมของโครเมียม 23 อะตอมจะทำปฏิกิริยากับอะตอมของคาร์บอนหกอะตอม

โครงผลึกของสารประกอบเคมีมีความซับซ้อนมาก เมื่อโลหะผสมได้รับความร้อนอย่างแรง ผลึกของสารประกอบเคมีสามารถละลายในของแข็งได้

บ้านเป็นสารละลายของโลหะผสม และเมื่ออุณหภูมิความร้อนลดลง มันก็จะก่อตัวขึ้นอีกครั้ง

โลหะผสมที่ใช้ในเทคโนโลยีมีองค์ประกอบทางเคมีที่ซับซ้อน ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงมีองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกันถึงสิบชนิด ยิ่งองค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะผสมมีความซับซ้อนมากเท่าใด คุณสมบัติก็จะมีความหลากหลายมากขึ้นเท่านั้น

โลหะหายากที่ใส่เข้าไปในองค์ประกอบของเหล็กและโลหะผสมจะปรับปรุงคุณภาพและเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเริ่มต้นของโลหะผสมอย่างรุนแรงเนื่องจากพวกมันมักจะก่อตัวเป็นผลึกของสารประกอบเคมีที่เสริมความแข็งแกร่งให้สารละลายของแข็ง

นักโลหะวิทยาใช้โลหะหายากเพื่อให้เหล็กและโลหะผสมที่ถลุงมีความแข็งแรง แข็งขึ้น มีความเหนียว ยืดหยุ่น ทนความร้อน ทนต่อสารเคมี ฯลฯ จะมีการหารือเกี่ยวกับคุณสมบัติเหล่านี้และการเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเติมโลหะหายาก ด้านล่าง.

26.08.2008

โครงสร้างภายในและคุณสมบัติของโลหะและโลหะผสม

วัสดุทางวิศวกรรม ได้แก่ โลหะและโลหะผสม ไม้ พลาสติก ยาง กระดาษแข็ง กระดาษ แก้ว ฯลฯ โลหะและโลหะผสมมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเครื่องจักร

โลหะเป็นสารที่มีค่าการนำความร้อนและไฟฟ้าสูง ความเหนียว ความมันเงา และคุณสมบัติอื่นๆ

ในด้านเทคโนโลยี โลหะและโลหะผสมทั้งหมดมักแบ่งออกเป็นเหล็กและอโลหะ โลหะกลุ่มเหล็ก ได้แก่ เหล็กและโลหะผสม โลหะที่ไม่ใช่เหล็กรวมถึงโลหะและโลหะผสมอื่นๆ ทั้งหมด ในการเลือกวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรโดยคำนึงถึงสภาพการทำงาน โหลดทางกล และปัจจัยอื่น ๆ ที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของเครื่องจักร จำเป็นต้องรู้โครงสร้างภายใน เคมีกายภาพ เครื่องกลและเทคโนโลยี คุณสมบัติของโลหะ

โลหะและโลหะผสมในสถานะของแข็งมีโครงสร้างเป็นผลึก อะตอมของพวกมัน (ไอออน โมเลกุล) ตั้งอยู่ในอวกาศตามลำดับที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดและก่อตัวเป็นตาข่ายคริสตัลเชิงพื้นที่

อะตอมเชิงซ้อนที่เล็กที่สุดซึ่งเมื่อทำซ้ำหลายครั้งในอวกาศจะทำให้เกิดโครงตาข่ายขึ้นใหม่ เรียกว่า เซลล์ผลึกหนึ่งหน่วย

รูปร่างของเซลล์ผลึกเบื้องต้นจะกำหนดชุดคุณสมบัติของโลหะ ได้แก่ ความแวววาว ความสามารถในการหลอมละลาย การนำความร้อน การนำไฟฟ้า ความสามารถในการใช้งานได้ และแอนไอโซโทรปี (ความแตกต่างในคุณสมบัติในระนาบต่างๆ ของโครงตาข่ายคริสตัล)

โครงตาข่ายคริสตัลเชิงพื้นที่เกิดขึ้นระหว่างการเปลี่ยนโลหะจากของเหลวเป็นสถานะของแข็ง กระบวนการนี้เรียกว่าการตกผลึก กระบวนการตกผลึกได้รับการศึกษาครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย D.K. Chernov

การตกผลึกประกอบด้วยสองขั้นตอน ในสถานะของเหลวของโลหะ อะตอมของมันจะเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง เมื่ออุณหภูมิลดลง การเคลื่อนที่ของอะตอมจะช้าลง พวกมันจะเข้ามาใกล้และรวมกลุ่มกันเป็นผลึก สิ่งที่เรียกว่าศูนย์การตกผลึกเกิดขึ้น (ระยะแรก) ต่อไปเป็นการขุดคริสตัลรอบๆ ศูนย์กลางเหล่านี้ (ขั้นที่ 2) ในตอนแรกคริสตัลจะเติบโตอย่างอิสระ ด้วยการเติบโตต่อไปคริสตัลจะถูกผลักไสการเติบโตของคริสตัลบางชนิดจะขัดขวางการเติบโตของคริสตัลที่อยู่ใกล้เคียงซึ่งเป็นผลมาจากการที่กลุ่มผลึกที่มีรูปร่างผิดปกติเกิดขึ้นซึ่งเรียกว่าธัญพืช

ขนาดเกรนส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณสมบัติการดำเนินงานและเทคโนโลยีของโลหะ โลหะเนื้อหยาบมีความทนทานต่อแรงกระแทกต่ำ เมื่อผ่านกระบวนการตัด จะทำให้ชิ้นส่วนมีความหยาบผิวต่ำได้ยาก ขนาดเกรนขึ้นอยู่กับลักษณะของโลหะและสภาวะการตกผลึก

วิธีการศึกษาโครงสร้างของโลหะ มีการศึกษาโครงสร้างของโลหะและโลหะผสมโดยใช้การวิเคราะห์ระดับมหภาคและระดับจุลภาค รวมถึงวิธีการอื่นๆ

วิธีการวิเคราะห์มหภาคใช้เพื่อศึกษาโครงสร้างมหภาค เช่น โครงสร้างของโลหะ ที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าหรือด้วยแว่นขยาย โครงสร้างมหภาคถูกกำหนดโดยการแตกหักของโลหะหรือส่วนมหภาค

Macrosection คือตัวอย่างของโลหะหรือโลหะผสม ซึ่งด้านใดด้านหนึ่งถูกบดและกัดด้วยกรดหรือรีเอเจนต์อื่น วิธีนี้เผยให้เห็นข้อบกพร่องขนาดใหญ่ เช่น รอยแตกร้าว โพรงการหดตัว ฟองก๊าซ การกระจายตัวของสิ่งสกปรกในโลหะไม่สม่ำเสมอ ฯลฯ

การวิเคราะห์ระดับจุลภาคช่วยให้คุณสามารถกำหนดขนาดและรูปร่างของเกรน ส่วนประกอบโครงสร้าง คุณภาพของการอบชุบ และระบุข้อบกพร่องระดับไมโคร

การวิเคราะห์ระดับจุลภาคดำเนินการในส่วนจุลภาคโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ (กล้องจุลทรรศน์โลหะวิทยาสมัยใหม่ให้กำลังขยายสูงถึง 2,000 และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กทรอนิกส์ - สูงถึง 25,000)

ส่วนไมโครคือตัวอย่างโลหะที่มีพื้นผิวเรียบและขัดเงาซึ่งถูกกัดด้วยสารละลายกรดหรือด่างอ่อนๆ เพื่อเผยให้เห็นโครงสร้างจุลภาค คุณสมบัติของโลหะ คุณสมบัติของโลหะมักจะแบ่งออกเป็นเคมีกายภาพ เครื่องกล และเทคโนโลยี คุณคุ้นเคยกับคุณสมบัติทางเคมีกายภาพและทางกลของของแข็ง รวมถึงโลหะจากหลักสูตรฟิสิกส์และเคมี ให้เราพิจารณาคุณสมบัติทางกลและเทคโนโลยีบางอย่างที่มีความสำคัญจากมุมมองของการแปรรูปโลหะ

สมบัติทางกล ดังที่ทราบกันดีว่าหมายถึงความสามารถของโลหะหรือโลหะผสมในการต้านทานแรงภายนอก คุณสมบัติทางกล ได้แก่ ความแข็งแรง ความเหนียว ความแข็ง เป็นต้น

ความแข็งแกร่งแสดงถึงความสามารถของโลหะหรือโลหะผสมภายใต้เงื่อนไขและขีดจำกัดบางประการ ที่จะทนต่ออิทธิพลบางอย่างของแรงภายนอกได้โดยไม่ยุบตัว

คุณสมบัติที่สำคัญของโลหะคือความต้านทานแรงกระแทก ซึ่งเป็นความต้านทานของวัสดุต่อการถูกทำลายภายใต้แรงกระแทก

ความแข็งเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นคุณสมบัติของวัสดุในการต้านทานการแทรกซึมของวัตถุอื่นที่แข็งกว่าเข้าไป

คุณสมบัติทางกลของวัสดุแสดงผ่านตัวบ่งชี้จำนวนหนึ่ง (เช่น ความต้านทานแรงดึง การยืดตัวและการหดตัวสัมพัทธ์ เป็นต้น)

ความต้านแรงดึงหรือความต้านทานแรงดึงชั่วคราวคือความเค้นตามเงื่อนไขที่สอดคล้องกับโหลดสูงสุดที่ตัวอย่างสามารถทนได้ในระหว่างการทดสอบก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว

ความแข็งของโลหะและโลหะผสมส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยใช้วิธีการสามวิธี ซึ่งตั้งชื่อตามผู้ประดิษฐ์ ได้แก่ วิธีบริเนล วิธีร็อคเวลล์ และวิธีวิคเกอร์ส I การวัดความแข็งโดยใช้วิธี Brinell ประกอบด้วยการกดลูกบอลเหล็กชุบแข็งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5, 5 หรือ 10 มม. ลงบนพื้นผิวของโลหะทดสอบโดยใช้เครื่องทดสอบความแข็ง TS ภายใต้อิทธิพลของโหลดคงที่ P อัตราส่วนของโหลด ถึงพื้นที่ผิวของการเยื้อง (รู) ให้ค่าความแข็ง แสดงว่า NV

วัดความแข็งแบบร็อกเวลล์โดยใช้อุปกรณ์ TK โดยการกดลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.59 มม. (1/16 นิ้ว) หรือกรวยเพชรที่มีมุมปลาย 120° (สำหรับเหล็กแข็งและโลหะผสมโดยเฉพาะ) เข้าไปในโลหะทดสอบ ถูกกำหนดโดยใช้ตัวบ่งชี้อุปกรณ์

ความแข็งของวิกเกอร์สวัดโดยใช้อุปกรณ์ TP โดยการกดปิรามิดทรงสี่หน้ารูปเพชรเข้าไปในโลหะด้วยมุมยอด a = 136° เมื่อใช้ตาราง หมายเลขความแข็ง HV จะพบได้โดยใช้ความยาวแนวทแยงของงานพิมพ์ที่ได้

การใช้วิธีการเฉพาะขึ้นอยู่กับความแข็งของตัวอย่างทดสอบ ความหนา หรือความหนาของชั้นทดสอบ ตัวอย่างเช่น วิธี Vickers ใช้ในการวัดความแข็งของเหล็กชุบแข็ง วัสดุชิ้นส่วนที่มีความหนาสูงสุด 0.3 มม. และพื้นผิวซีเมนต์ ไนไตรด์ และพื้นผิวอื่นๆ ของชิ้นส่วนภายนอกแบบบาง

ถึงคุณสมบัติทางเทคโนโลยีหลักของโลหะและโลหะผสม

รวมถึงสิ่งต่อไปนี้:

ความอ่อนตัว - คุณสมบัติของโลหะที่จะนำไปตีและการบำบัดด้วยแรงดันประเภทอื่น

ความลื่นไหล - คุณสมบัติของโลหะหลอมเหลวในการเติมแม่พิมพ์หล่อในทุกชิ้นส่วนและสร้างการหล่อแบบหนาแน่นที่มีการกำหนดค่าที่แม่นยำ

ความสามารถในการเชื่อม - คุณสมบัติของโลหะในการผลิตรอยต่อเชื่อมที่แข็งแกร่ง

ความสามารถในการแปรรูป - คุณสมบัติของโลหะที่จะแปรรูปโดยเครื่องมือตัดเพื่อให้ชิ้นส่วนมีรูปร่างขนาดและความขรุขระของพื้นผิวที่แน่นอน

ในการผลิตเครื่องจักรและการติดตั้งใช้งานนั้นมีการใช้โลหะและโลหะผสมมากที่สุด
โลหะ- สารเหล่านี้เป็นสารที่มีค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนสูง ความเงางาม ความอ่อนตัว และคุณสมบัติอื่น ๆ ที่ง่ายและไม่คล้อยตามงานโลหะมากนัก

ในอุตสาหกรรม โลหะและโลหะผสมทั้งหมดแบ่งออกเป็นสองประเภท: มีสีและ สีดำ. เรียกว่า โลหะสีดำ– นี่คือเหล็กและโลหะผสมบริสุทธิ์ตามวัสดุ ถึง เป็นสี– รวมถึงโลหะประเภทอื่นด้วย สำหรับการเลือกโลหะที่ถูกต้องสำหรับการผลิตโครงสร้างกลไกพร้อมการวิเคราะห์การใช้งานคุณสมบัติทางกลและคุณสมบัติอื่น ๆ ที่ส่งผลต่อความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของเครื่องจักรคุณจำเป็นต้องทราบโครงสร้างภายใน คุณสมบัติทางกล กายภาพเคมีและเทคโนโลยี เช่น รวมถึงวิธีใดในการแปรรูปโลหะและต้องการว่าวัสดุนั้นอยู่ในการตัดโลหะหรือไม่ (หากจำเป็นต้องแปรรูปวัสดุด้วยการตัดก็ควรใช้การตัดโลหะพลาสม่าจะดีกว่า)

ในสถานะของแข็ง โลหะและโลหะผสมทั้งหมดมีโครงสร้างผลึก โมเลกุลของโลหะ (อะตอม ไอออน) ในอวกาศนั้นอยู่ในลำดับที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดและก่อตัวซึ่งกันและกัน ตาข่ายคริสตัล.
โครงตาข่ายคริสตัลเกิดขึ้นจากการแปรรูปโลหะเช่น การเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นของแข็ง กระบวนการนี้เรียกว่า - การตกผลึก. เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์จากรัสเซียศึกษากระบวนการเหล่านี้ - D.K. เชอร์นอฟ

กระบวนการตกผลึก :
กระบวนการนี้ประกอบด้วยสองส่วน ในโลหะที่อยู่ในสถานะของเหลว อะตอมจะเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา หากคุณลดอุณหภูมิความเร็วการเคลื่อนที่ของอะตอมจะลดลงพวกมันจะเข้ามาใกล้และรวมกลุ่มเป็นผลึก (ดังนั้นเพื่อที่จะเปลี่ยนรูปร่างและโครงสร้างของผลิตภัณฑ์จะต้องผ่านกระบวนการแปรรูปโลหะโดยใช้ความร้อน) - นี่เป็นครั้งแรก ส่วนหนึ่งในระหว่างที่เกิดศูนย์การตกผลึก
จากนั้นจะมีการเติบโตรอบๆ ศูนย์กลางของการตกผลึก - นี่คือส่วนที่สองของกระบวนการ ในตอนแรกการเติบโตของผลึกดำเนินไปอย่างอิสระ แต่จากนั้นการเติบโตของผลึกบางชนิดก็ขัดขวางการเติบโตของผลึกชนิดอื่นด้วยเหตุนี้จึงเกิดกลุ่มผลึกที่มีรูปร่างผิดปกติซึ่งเรียกว่าธัญพืช ขนาดของเมล็ดที่ได้จะส่งผลอย่างมากต่องานโลหะในขั้นตอนต่อไปของผลิตภัณฑ์ โลหะที่ประกอบด้วยเม็ดขนาดใหญ่มีความต้านทานต่อแรงกระแทกต่ำ หากตัดโลหะ จะทำให้พื้นผิวของโลหะมีความหยาบต่ำได้ยาก ขนาดเกรนขึ้นอยู่กับสภาวะการตกผลึกและคุณสมบัติของโลหะเอง

วิธีการศึกษาโครงสร้างโลหะ :
การศึกษาโครงสร้างของโลหะและโลหะผสมดำเนินการผ่านการวิเคราะห์ระดับมหภาคและระดับจุลภาค รวมถึงวิธีการอื่นๆ ใช้การวิเคราะห์มหภาคเพื่อศึกษาโครงสร้างของโลหะซึ่งสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าหรือด้วยแว่นขยาย โครงสร้างนี้ถูกกำหนดโดยส่วนมาโครหรือการแตกหัก การขัดแบบมาโคร- นี่คือตัวอย่างโลหะ ซึ่งด้านหนึ่งถูกแกะสลักด้วยกรดและขัดเงา.
การวิเคราะห์ระดับจุลภาคจะศึกษาขนาดและรูปร่างของเมล็ดพืช ส่วนประกอบทางโครงสร้าง และระบุข้อบกพร่องระดับจุลภาคและคุณภาพของการบำบัดความร้อนของโลหะ การวิเคราะห์นี้ดำเนินการในส่วนไมโครโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ ไมโครเซคชัน- นี่คือตัวอย่างหนึ่งของโลหะที่มีพื้นผิวเรียบขัดเงา สลักด้วยสารละลายกรดอ่อน

คุณสมบัติของโลหะ :
คุณสมบัติของโลหะแบ่งออกเป็นเคมีกายภาพ เทคโนโลยี และกลไก คุณสมบัติทางกลหมายถึงความต้านทานของโลหะต่ออิทธิพลของแรงภายนอกที่มีต่อมัน คุณสมบัติทางกล ได้แก่ ความหนืด, ความแข็งแกร่ง, ความทนทานและคนอื่น ๆ.
ความแข็งแกร่ง- สิ่งเหล่านี้เป็นคุณสมบัติของโลหะภายใต้เงื่อนไขบางประการที่จะไม่ถูกทำลาย แต่เพื่อรับรู้อิทธิพลของแรงภายนอก คุณสมบัตินี้เป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญในการเลือกวิธีการแปรรูปโลหะ
ความหนืดคือความต้านทานของวัสดุภายใต้การรับแรงกระแทก
ความแข็ง– คุณสมบัติของวัสดุในการต้านทานการนำวัสดุอื่นเข้าไป

คุณสมบัติทางเทคโนโลยีหลัก ได้แก่ - ความเหนียว, ความสามารถในการเชื่อม, คุณสมบัติการหลอมละลาย, ความสามารถในการแปรรูปและคนอื่น ๆ.
ความเหนียว– สิ่งเหล่านี้เป็นคุณสมบัติของวัสดุที่ต้องนำไปผ่านกระบวนการโลหะโดยการตีและวิธีการขึ้นรูปอื่น ๆ
ความสามารถในการเชื่อม– คุณสมบัติของวัสดุเพื่อสร้างรอยเชื่อมที่แข็งแรง
คุณสมบัติการหลอมละลาย– คุณสมบัติของวัสดุในรูปแบบหลอมเหลวเพื่อเติมลงในแม่พิมพ์หล่อและสร้างการหล่อแบบหนาแน่นด้วยการกำหนดค่าที่ต้องการ
ความสามารถในการแปรรูป– คุณสมบัติของวัสดุที่จะนำไปตัดโลหะเพื่อให้ชิ้นงานมีรูปร่าง ขนาด และความขรุขระของพื้นผิวที่ต้องการ วิธีการตัดโลหะที่ดีที่สุดคือการตัดโลหะด้วยพลาสมา หลังจากกระบวนการนี้ โลหะไม่จำเป็นต้องมีงานโลหะเพิ่มเติมอีก
เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์คุณภาพสูงที่มีโครงสร้างภายนอกและภายในที่ดี คุณต้องมีความเข้าใจโครงสร้างของโลหะเป็นอย่างดี เนื่องจากนี่เป็นวิธีเดียวที่จะได้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยม

โครงสร้างของโลหะและโลหะผสม

ถึงหมวดหมู่:

วัสดุยานยนต์และยางรถยนต์

โครงสร้างของโลหะและโลหะผสม

1. การพัฒนาด้านโลหะวิทยา

โลหะวิทยาหรือโลหะวิทยาเป็นวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาคุณสมบัติ องค์ประกอบ และโครงสร้างของโลหะและโลหะผสม วิทยาศาสตร์โลหะวิทยา KZK ถูกสร้างขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์โลหะวิทยาชาวรัสเซีย นักโลหะวิทยาชาวรัสเซียผู้มีชื่อเสียง Pavel Petrovich Anosov เป็นคนแรกที่วางรากฐานของโลหะวิทยา ทำงานที่โรงงานผลิตอาวุธ Zlatoust ในเทือกเขาอูราล เขาเป็นคนแรกในโลกในปี พ.ศ. 2374 ที่ใช้กล้องจุลทรรศน์เพื่อศึกษาโครงสร้างของเหล็กบนส่วนที่แกะสลักขัดเงา P. P. Anosov วางรากฐานสำหรับกระบวนการผลิตเหล็กสมัยใหม่ที่เรียกว่าเตาเปิด เขาใช้วิธีการเปลี่ยนเหล็กหล่อเป็นเหล็กกล้า (ในปี พ.ศ. 2416) โดยไม่ต้องเติมเหล็ก ซึ่งนำหน้าพี่น้อง Martin มากกว่า 30 ปี

P.P. Anosov ทำงานทางวิทยาศาสตร์มากมายเกี่ยวกับการศึกษาผลกระทบของคาร์บอนต่อคุณสมบัติของเหล็ก ผลงานทางวิทยาศาสตร์ของเขามีอิทธิพลอย่างมากต่อการพัฒนาการผลิตเหล็กคุณภาพสูงและการปรับปรุงวิธีการรักษาความร้อน งานเพิ่มเติมเกี่ยวกับการศึกษาคุณสมบัติของโลหะและโลหะผสมขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบและโครงสร้างของมันยังคงดำเนินต่อไปโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียผู้ชาญฉลาด Dmitry Konstantinovich Chernov ขณะที่ทำงานเป็นวิศวกรที่โรงงานเหล็ก Obukhov ในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก เขาได้ค้นพบสิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาวิทยาศาสตร์โลหะต่อไป D.K. Chernov จากการสังเกตพฤติกรรมของการตีเหล็กจำนวนมากในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อนพบว่าที่อุณหภูมิที่กำหนดในเหล็กในสถานะของแข็งการปรับโครงสร้างของอนุภาคเกิดขึ้นเนื่องจากโครงสร้างของเหล็กและคุณสมบัติของมันเปลี่ยนไป .

การค้นพบที่ทำโดย D.K. Chernov ได้รับการตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2411 เนื่องจากเขาได้รับชื่อเสียงไปทั่วโลกและสมควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นผู้ก่อตั้งวิชาโลหะวิทยา ต้องขอบคุณการค้นพบของเขาที่ทำให้สามารถรักษาความร้อนของโลหะและโลหะผสมได้อย่างถูกต้องตามหลักวิทยาศาสตร์

ผู้ติดตามและนักเรียนของ D.K. Chernov - N.S. Kurnakov, A.A. Baykov และคนอื่น ๆ - มีส่วนร่วมเพิ่มเติมกับผลงานทางวิทยาศาสตร์และการวิจัยเพื่อการพัฒนาโลหะวิทยาในประเทศที่ดียิ่งขึ้น

2. โครงสร้างผลึกของโลหะ

มีวัตถุอสัณฐานและเป็นผลึก โครงสร้างของร่างกายอสัณฐานประกอบด้วยอะตอมที่จัดเรียงแบบสุ่ม วัตถุดังกล่าวได้แก่ แก้ว อำพัน เรซิน ฯลฯ วัตถุที่เป็นผลึกแตกต่างจากวัตถุอสัณฐานตรงที่อะตอมในพวกมันถูกจัดเรียงตามลำดับที่ถูกต้องทางเรขาคณิต โลหะและโลหะผสมเป็นของแข็งผลึกทั่วไป อะตอมที่อยู่ในโลหะตามลำดับทางเรขาคณิตที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดจะก่อตัวเป็นโครงตาข่ายคริสตัล (รูปที่ 11) โปรยคริสตัลประเภทต่างๆ จะเกิดขึ้น ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงอะตอม

ในโลหะ มักพบโครงผลึกในรูปแบบของลูกบาศก์ตรงกลาง ลูกบาศก์ที่มีใบหน้าเป็นศูนย์กลาง และปริซึมหกเหลี่ยม มักพบ

ตัวอย่างเช่นโลหะเช่นโครเมียมวาเนเดียมทังสเตนโมลิบดีนัมและอื่น ๆ อีกจำนวนหนึ่งมีโครงตาข่ายคริสตัลในรูปแบบของลูกบาศก์ที่อยู่ตรงกลาง (รูปที่ 12, a) ซึ่งมีอะตอมแปดอะตอมอยู่ที่มุมของลูกบาศก์และ อันหนึ่งอยู่ตรงกลางของลูกบาศก์

อลูมิเนียม ทองแดง ตะกั่ว นิกเกิล เงิน ฯลฯ มีโครงตาข่ายคริสตัลที่อยู่ตรงกลางหน้า นั่นคืออยู่ในรูปของลูกบาศก์ที่มีหน้าอยู่ตรงกลาง (รูปที่ 12.6) ในโครงตาข่ายดังกล่าว มีอะตอมหนึ่งอะตอมอยู่ที่แต่ละมุมของลูกบาศก์และมีอะตอมหนึ่งอะตอมอยู่ตรงกลางของแต่ละหน้า จึงมีทั้งหมด 14 อะตอม

โลหะต่างๆ เช่น สังกะสี ไทเทเนียม และแมงกานีส มีโครงผลึกอยู่ในรูปปริซึมหกเหลี่ยม (รูปที่ 12, e) การจัดเรียงอะตอมในโครงผลึกแบบปริซึมหกเหลี่ยมมีดังต่อไปนี้ มีอะตอม 1 อะตอมอยู่ที่แต่ละมุมของปริซึม 1 อะตอมอยู่ตรงกลางฐานบน 1 อะตอมอยู่ตรงกลางฐานล่าง 1 อะตอม และ 3 อะตอม ในส่วนตรงกลาง

ข้าว. 11. ตาข่ายคริสตัล

ข้าว. 12. ประเภทของโปรยคริสตัล:
เอ - ลูกบาศก์ตรงกลาง; b - ลูกบาศก์ที่อยู่ตรงกลางหน้า; c - ปริซึมหกเหลี่ยม

ระยะห่างระหว่างอะตอมในโครงผลึกมีขนาดเล็กมาก และวัดโดยหน่วยความยาวพิเศษที่เรียกว่าอังสตรอม (ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์) หนึ่งอังสตรอมเท่ากับหนึ่งร้อยล้านของเซนติเมตร

ในโลหะเหลวหลอมเหลว อะตอมกำลังเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่ของพวกมันวุ่นวาย แต่เมื่ออุณหภูมิของโลหะลดลงและเข้าใกล้อุณหภูมิวิกฤต กล่าวคือ อุณหภูมิการแข็งตัวที่เรียกว่าศูนย์การตกผลึกหรือนิวเคลียสของการตกผลึกจะเกิดขึ้นในนั้น . ศูนย์การตกผลึกคือกลุ่มอะตอมที่เล็กมากซึ่งจัดกลุ่มตามลำดับทางเรขาคณิต

นิวเคลียสของการตกผลึกที่เกิดขึ้นนั้นไม่เสถียรมากและหลายนิวเคลียสก็ละลายอีกครั้ง การสังเกตเชิงปฏิบัติได้พิสูจน์แล้วว่านิวเคลียสของการตกผลึกมีความเสถียรและเริ่มเติบโตเมื่อโลหะเหลวถูกทำให้เย็นลงถึงอุณหภูมิที่กำหนด กราฟการระบายความร้อนของโลหะบริสุทธิ์ช่วยให้เข้าใจได้อย่างชัดเจนว่ากระบวนการตกผลึกดำเนินไปอย่างไร

ข้าว. 13. เส้นโค้งการทำความเย็นของโลหะบริสุทธิ์

ในโลหะที่มีความเย็นยิ่งยวด (รูปที่ 13, a) กระบวนการตกผลึกจะเริ่มดำเนินการเร็วขึ้น หลังจากการเริ่มตกผลึกแบบเข้มข้น อุณหภูมิของโลหะที่เย็นยิ่งยวดจะเพิ่มขึ้นจนถึงอุณหภูมิของการแข็งตัว (b) เนื่องจากการปล่อยความร้อนแฝงของการตกผลึก

ข้าว. 14. โครงการสร้างเมล็ดข้าว

ในระหว่างกระบวนการตกผลึกทั้งหมด อุณหภูมิของโลหะจะคงที่ (b, c) หลังจากที่โลหะผ่านจากของเหลวไปสู่สถานะของแข็ง อุณหภูมิของมันจะเริ่มลดลงจนถึงอุณหภูมิแวดล้อม (g) ในระหว่างกระบวนการตกผลึก นิวเคลียสจะเติบโตเนื่องจากอะตอมจากของเหลวที่อยู่รอบๆ ซึ่งอยู่ในโครงตาข่ายคริสตัลตามลำดับที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด (รูปที่ 14, a, b) ในขั้นต้นการเติบโตของนิวเคลียสของการตกผลึกเกิดขึ้นอย่างอิสระและมีรูปทรงเรขาคณิตภายนอกที่สม่ำเสมอ แต่เนื่องจากนิวเคลียสจำนวนมากก่อตัวขึ้นในเวลาเดียวกัน ช่วงเวลาหนึ่งจึงมาถึงเมื่อพวกเขาเริ่มพบกัน (รูปที่ 14, c, d, e) หลังจากการปะทะกัน การเติบโตจะเกิดขึ้นได้เฉพาะในทิศทางที่ไม่มีสิ่งกีดขวางเท่านั้น สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่ารูปทรงเรขาคณิตภายนอกของผลึกโลหะไม่สม่ำเสมอซึ่งมักเรียกว่าเม็ดโลหะ (รูปที่ 14, f)

3. การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโลหะแข็ง (ปรากฏการณ์ allotropy)

โครงสร้างของโลหะบางชนิดในสถานะของแข็งสามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงได้ที่อุณหภูมิหนึ่ง ซึ่งแสดงถึงการจัดเรียงอะตอมใหม่และการเปลี่ยนจากโครงตาข่ายคริสตัลประเภทหนึ่งไปยังอีกประเภทหนึ่ง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการจัดสรรโลหะ รูปแบบผลึกที่แตกต่างกันซึ่งมีโลหะแข็งชนิดเดียวกันตกผลึกที่อุณหภูมิที่กำหนดเรียกว่า allotropes การปรับเปลี่ยน Allotropic ถูกกำหนดโดยตัวอักษรกรีก การเปลี่ยนจากการปรับเปลี่ยนอย่างหนึ่งไปสู่อีกการเปลี่ยนแปลงหนึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่และมาพร้อมกับการดูดซับความร้อน (ระหว่างการให้ความร้อน) หรือการปล่อยความร้อน (ระหว่างการทำให้เย็นลง) และการก่อตัวของโครงตาข่ายคริสตัลใหม่

ข้าว. 15. เส้นโค้งความเย็นของเหล็กบริสุทธิ์

เหล็กบริสุทธิ์มีอยู่ในการดัดแปลงหลายอย่าง กราฟการระบายความร้อนของเหล็กบริสุทธิ์ (รูปที่ 15) แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิใดที่การเปลี่ยนแปลงแบบ allotropic ของเหล็กเกิดขึ้น เหล็กมีโครงตาข่ายคริสตัลอยู่ในรูปของลูกบาศก์ตรงกลางที่อุณหภูมิสูงถึง 910° และเรียกว่าเหล็กอัลฟ่า a-Fe ยิ่งไปกว่านั้น อุณหภูมิสูงถึง 770° a-Fe เป็นแบบแม่เหล็ก และสูงกว่า 770° ไม่เป็นแม่เหล็ก ที่อุณหภูมิ 910° โครงผลึก a-Fe จะเปลี่ยนไปและกลายเป็นศูนย์กลางของใบหน้า การดัดแปลงนี้เรียกว่าเหล็กแกมมา y-Fe และเสถียรจนถึงอุณหภูมิ 1390° ซึ่งจะกลายเป็นโครงตาข่ายลูกบาศก์ที่อยู่ตรงกลางอีกครั้ง การดัดแปลงใหม่เรียกว่า delta iron 8-Fe การเปลี่ยนแปลงแบบ Allotropic มีความสำคัญมาก เนื่องจากโลหะที่อยู่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวสามารถผ่านการบำบัดความร้อนได้ นอกจากเหล็กแล้ว โลหะอื่นๆ บางชนิดยังต้องผ่านการเปลี่ยนแปลงแบบ allotropic เช่น ไทเทเนียม แมงกานีส โคบอลต์ เซอร์โคเนียม และดีบุก

4. โครงสร้างของโลหะผสม

โลหะผสมเป็นสารเชิงซ้อนที่ได้จากการหลอมองค์ประกอบตั้งแต่สององค์ประกอบขึ้นไป องค์ประกอบที่ประกอบเป็นโลหะผสมเรียกว่าส่วนประกอบโลหะผสม ในสถานะของเหลว โลหะผสมคือสารละลายที่อะตอมของส่วนประกอบหนึ่งมีการกระจายเท่าๆ กันระหว่างอะตอมของส่วนประกอบอื่นๆ เนื่องจากสารละลายของเหลวมีคุณสมบัติเหมือนกันในทุกส่วน ไม่ว่าจะมีขนาดเล็กแค่ไหนก็ตาม สารดังกล่าวเรียกว่าเป็นเนื้อเดียวกัน คุณสมบัติของสารละลายของเหลวจะแตกต่างจากคุณสมบัติของส่วนประกอบ แต่แต่ละส่วนประกอบจะมีอิทธิพลต่อธรรมชาติของคุณสมบัติของสารละลาย เมื่อตรวจสอบสารละลายของเหลวอย่างละเอียด ปรากฎว่าคุณสมบัติทางกายภาพ ทางไฟฟ้า และอื่นๆ ของสารละลายเหล่านี้แตกต่างอย่างมากจากคุณสมบัติของส่วนประกอบต่างๆ และอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับเปอร์เซ็นต์ของส่วนประกอบ เช่น ความเข้มข้นของสารละลาย

ความเข้มข้นของสารละลายคืออัตราส่วนของน้ำหนักของสารที่ละลายได้ต่อน้ำหนักของสารละลายทั้งหมด ความเข้มข้นมักจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ เมื่อโลหะผสมเปลี่ยนจากของเหลวเป็นสถานะของแข็ง ปฏิกิริยาระหว่างส่วนประกอบต่างๆ อาจเกิดขึ้นได้ ปฏิกิริยาหลักๆ ของส่วนประกอบต่างๆ ได้แก่ ส่วนผสมทางกล สารประกอบเคมี และสารละลายของแข็ง

ส่วนผสมทางกลแสดงถึงปฏิกิริยาประเภทหนึ่งระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ซึ่งในระหว่างการตกผลึก ส่วนประกอบของโลหะผสมจะไม่เกิดปฏิกิริยาเคมีและไม่ละลายซึ่งกันและกัน แต่ยังคงสภาพโครงผลึกไว้ ดังนั้น โครงสร้างของโลหะผสมที่เป็นส่วนผสมเชิงกลขององค์ประกอบสองชนิดใดๆ เช่น ตะกั่วและพลวง จะประกอบด้วยผลึกตะกั่วและผลึกพลวงที่มีขนาดเล็กมาก

ในกรณีของสารประกอบทางเคมี ปฏิกิริยาระหว่างส่วนประกอบโลหะผสมนั้นมีลักษณะพิเศษคือการก่อตัวของโครงตาข่ายคริสตัลใหม่ทั้งหมด ซึ่งแตกต่างจากโครงตาข่ายคริสตัลของส่วนประกอบ ในกรณีนี้อัตราส่วนของส่วนประกอบจะถูกกำหนดอย่างเคร่งครัดเสมอ

สารละลายที่เป็นของแข็งแตกต่างจากส่วนผสมเชิงกลและสารประกอบทางเคมีตรงที่ยังคงโครงผลึกของโลหะตัวทำละลาย ซึ่งเป็นที่ตั้งของอะตอมของส่วนประกอบทั้งหมดของโลหะผสม โลหะที่มีโครงผลึกยังคงอยู่หลังจากการก่อตัวของสารละลายของแข็งเรียกว่าตัวทำละลาย สารละลายที่เป็นของแข็งสามารถมีได้สองประเภท: สารละลายที่เป็นของแข็งคั่นระหว่างหน้าและสารละลายที่เป็นของแข็งทดแทน ในสารละลายของแข็งคั่นระหว่างหน้า อะตอมของตัวถูกละลายจะอยู่ระหว่างอะตอมของตัวทำละลาย (รูปที่ 16, a) ในสารละลายทดแทนที่เป็นของแข็ง อะตอมของตัวถูกละลายจะแทนที่อะตอมของตัวทำละลายบางส่วนในโครงตาข่ายคริสตัล (รูปที่ 16.6)

ข้าว. 16. ตาข่ายสารละลายแข็ง:
เอ - การดำเนินการ; ข - การทดแทน

5. แผนภาพสถานะของโลหะผสม (ตะกั่ว - พลวง) และโครงสร้าง

ในการศึกษาโลหะผสม มักใช้แผนภาพเฟสของโลหะผสม แผนภาพเฟสของโลหะผสมจะแทนที่บันทึกทั้งหมดและเส้นโค้งการระบายความร้อนของโลหะผสมที่ได้รับอันเป็นผลมาจากการสังเกตจำนวนมาก แผนภาพดังกล่าวทำให้สามารถดูการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดในโครงสร้างของโลหะผสมและคุณสมบัติของมันที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นและอุณหภูมิ จุดใดๆ บนแผนภาพจะแสดงลักษณะของความเข้มข้นและโครงสร้างที่แน่นอน จากแผนภาพเฟสของโลหะผสม คุณสามารถระบุจุดหลอมเหลวและอุณหภูมิการแข็งตัวของโลหะผสมที่กำหนดที่ความเข้มข้นใดๆ ได้ ความรู้เกี่ยวกับข้อเท็จจริงเหล่านี้มีส่วนช่วยในการเลือกอุณหภูมิความร้อนและความเย็นที่ถูกต้องในระหว่างการประมวลผลความร้อนและเคมี-ความร้อนของโลหะผสมต่างๆ

เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการสร้างแผนภาพสถานะของโลหะผสม ให้เราพิจารณาการสร้างแผนภาพดังกล่าวสำหรับโลหะผสมของตะกั่วและพลวง ลองใช้ตะกั่วและพลวงโลหะบริสุทธิ์และโลหะผสมหลายชนิดที่มีปริมาณพลวง 5%, 10%, 13%, 20%, 40% และ 80%

ข้าว. 17. เส้นโค้งการทำความเย็นของตะกั่ว พลวง และโลหะผสมตะกั่ว-พลวงต่างๆ

ในการระบุจุดวิกฤติของโลหะที่เลือกและโลหะผสม เราจะให้ความร้อนโลหะและโลหะผสมแต่ละชนิดตามลำดับจนกระทั่งหลอมละลายอย่างสมบูรณ์ และใช้เทอร์โมคัปเปิลหรือไพโรมิเตอร์ ในการตรวจสอบกระบวนการทำความเย็นอย่างระมัดระวัง และสร้างกราฟการทำความเย็น (รูปที่ 17) ในระหว่างกระบวนการทำให้ตะกั่วบริสุทธิ์หลอมเหลวเย็นลง จะเกิดปรากฏการณ์ดังต่อไปนี้

ที่อุณหภูมิสูงกว่า 327° ตะกั่วจะอยู่ในสถานะของเหลว (รูปที่ 17, a) ที่อุณหภูมิ 327° กระบวนการตกผลึกของตะกั่วจะถูกสังเกตโดยมีความล่าช้าในอุณหภูมิที่ลดลงจนกระทั่งการตกผลึกเสร็จสมบูรณ์ หลังจากการตกผลึกเสร็จสิ้น ตะกั่วที่เป็นของแข็งจะถูกทำให้เย็นลงอีกจนถึงอุณหภูมิโดยรอบ

ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันนี้พบได้ในระหว่างกระบวนการทำให้เย็นลงของพลวงบริสุทธิ์ที่หลอมละลาย (รูปที่ 17, b) โดยมีข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือ การตกผลึกของพลวงเริ่มต้นที่อุณหภูมิ 630°

โลหะผสมที่ประกอบด้วยตะกั่ว 95% และพลวง 5% (รูปที่ 17, c) มีเส้นโค้งการระบายความร้อนที่มีจุดวิกฤติสองจุด ดังนั้นจึงแข็งตัวในช่วงอุณหภูมิ 296-246 ° ที่อุณหภูมิ 296° ผลึกตะกั่วบริสุทธิ์ก้อนแรกจะเริ่มแยกออกจากโลหะผสมเหลว เส้นโค้ง ณ จุดนี้มีการโก่งตัว เมื่ออุณหภูมิลดลงอีก จำนวนผลึกตะกั่วก็จะเพิ่มขึ้น และส่วนที่เหลือของโลหะผสมเหลวจะเสริมสมรรถนะด้วยพลวง ปรากฏการณ์นี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าความเข้มข้นของโลหะผสมเหลวจะมีพลวง 13% และตะกั่ว 87% ที่ความเข้มข้นนี้ โลหะผสมทั้งหมดที่ยังคงเป็นของเหลวจะแข็งตัวที่อุณหภูมิ 246° โลหะผสมที่ประกอบด้วยตะกั่ว 30% และพลวง 10% (รูปที่ 17, d) จะแข็งตัวในช่วงอุณหภูมิ 260-246° เช่นกัน ที่อุณหภูมิ 260° ผลึกตะกั่วจะเริ่มแยกออกจากโลหะผสมเหลว เมื่อความเข้มข้นของโลหะผสมเหลวถึงพลวง 13% และตะกั่ว 87% โลหะผสมจะแข็งตัวที่อุณหภูมิ 246° (รูปที่ 17, e) ดังนั้น เมื่อโลหะผสมข้างต้นถูกทำให้เย็นลง ก่อนที่จะถึงอุณหภูมิวิกฤตที่ 246° สารตะกั่วส่วนเกินทั้งหมดที่เกิน 87% จะถูกปล่อยออกมาจากโลหะผสมเหลวในรูปของผลึก เมื่อได้ส่วนผสมเป็นตะกั่ว 87% และพลวง 13% โลหะผสมจะแข็งตัวที่อุณหภูมิ 246° โครงสร้างของโลหะผสมที่แข็งตัวของความเข้มข้นนี้ประกอบด้วยอนุภาคตะกั่วและพลวงที่สลับกันเป็นประจำ ส่วนผสมทางกลดังกล่าวเรียกว่ายูเทคติก โลหะผสมตะกั่ว-พลวงที่มีพลวงน้อยกว่า 13% จะมีตะกั่วมากเกินไปเสมอ และเมื่อเย็นตัวลง มีแนวโน้มที่จะปล่อยส่วนเกินนี้ออกมาในรูปของผลึกตะกั่วที่เป็นของแข็ง เพื่อก่อตัวเป็นยูเทคติกที่อุณหภูมิ 246° เห็นได้ชัดว่าในสถานะของแข็งโลหะผสมดังกล่าวจะมีโครงสร้างตะกั่ว + ยูเทคติก โลหะผสมที่ประกอบด้วยตะกั่ว 87% และพลวง 13% มีกราฟการระบายความร้อน (รูปที่ 17, e) โดยมีจุดวิกฤติหนึ่งจุด โลหะผสมนี้อยู่ในสถานะของเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่า 246° ที่อุณหภูมิ 246° โลหะผสมจะเปลี่ยนเป็นสถานะของแข็งโดยสมบูรณ์

โครงสร้างของโลหะผสมแข็งนี้เป็นยูเทคติกบริสุทธิ์ โลหะผสมที่ประกอบด้วยตะกั่ว 80% และพลวง 20% (รูปที่ 17, e) อยู่ในสถานะของเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่า 280° เมื่อโลหะผสมถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิ 280° ผลึกของพลวงแข็งจะเริ่มแยกตัวออกจากโลหะผสม และกระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าโลหะผสมเหลวที่เหลือจะกลายเป็นองค์ประกอบยูเทคติก ที่อุณหภูมิ 246° โลหะผสมทั้งหมดจะแข็งตัว โครงสร้างของโลหะผสมที่แข็งตัวจะประกอบด้วยผลึกพลวงและยูเทคติก โลหะผสมที่ประกอบด้วยตะกั่ว 60°/0 และพลวง 40°/0 (รูปที่ 17, g) ซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่า 395° อยู่ในสถานะของเหลว ที่อุณหภูมิ 395° กระบวนการตกผลึกจะเริ่มต้นด้วยการปล่อยผลึกพลวงส่วนเกินออกจากสารละลายของเหลว เมื่อไปถึงองค์ประกอบยูเทคติก (ตะกั่ว 87o/0 และพลวง 13%) ที่อุณหภูมิ 246° โลหะผสมทั้งหมดจะผ่านเข้าสู่สถานะของแข็ง สร้างโครงสร้างที่ประกอบด้วยผลึกของพลวงและยูเทคติก

โลหะผสมที่ประกอบด้วยตะกั่ว 20% และพลวง 80% (รูปที่ 17, h) อยู่ในสถานะของเหลวเหนืออุณหภูมิ 570 ° ที่อุณหภูมิ 570° กระบวนการแยกผลึกพลวงส่วนเกินออกจากโลหะผสมเหลวจะเริ่มต้นขึ้น เมื่อไปถึงองค์ประกอบยูเทคติกที่อุณหภูมิ 246° โลหะผสมทั้งหมดจะเปลี่ยนเป็นสถานะของแข็ง โครงสร้างโลหะผสมประกอบด้วยผลึกพลวงและยูเทคติก ข้อสังเกตข้างต้นแสดงให้เห็นว่าอัลลอยด์ตะกั่ว-พลวงทั้งหมดซึ่งมีปริมาณตะกั่วน้อยกว่า 87o/0 มีพลวงมากเกินไป และเมื่อเย็นตัวลง จะมีแนวโน้มที่จะปล่อยส่วนเกินนี้ในระหว่างการตกผลึกในรูปของผลึกพลวงแข็งตามลำดับ ให้เกิดเป็นยูเทคติกที่อุณหภูมิ 246° ยิ่งมีพลวงอยู่ในโลหะผสมมาก อุณหภูมิก็จะยิ่งสูงขึ้น ส่วนเกินจะเริ่มแยกออกจากโลหะผสมระหว่างการทำความเย็น (เทียบกับ 13<>/0) พลวง โลหะผสมของตะกั่วกับพลวง ถ้ามีพลวงมากเกินไป จะเกิดโครงสร้างในสถานะของแข็งซึ่งประกอบด้วยผลึกของพลวงและยูเทคติก

ข้าว. 18. แผนภาพสถานะของโลหะผสมของระบบตะกั่วและพลวง

กราฟการระบายความร้อนของโลหะผสมตะกั่วและพลวงที่มีเปอร์เซ็นต์ส่วนประกอบต่างกันสามารถนำมารวมกันเป็นแผนภาพสถานะเดียวสำหรับโลหะผสมตะกั่วและพลวง เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้เราพล็อตเนื้อหาของตะกั่วและพลวงในโลหะผสมที่ทดสอบบนแกนนอน (รูปที่ 18) ผ่านจุดที่สอดคล้องกับพลวง 100% และตะกั่ว 100% เราวาดเส้นตรงแนวตั้ง ซึ่งเราพล็อตอุณหภูมิตั้งแต่ 0 ถึง 700° เราวาดเส้นแนวตั้งประผ่านจุดที่สอดคล้องกับองค์ประกอบของโลหะผสมที่ทดสอบ หลังจากนั้น เราจะถ่ายโอนจุดวิกฤตจากเส้นโค้งการทำความเย็นไปยังเส้นแนวตั้งของแผนภาพ เราแสดงจุดวิกฤตของตะกั่วบริสุทธิ์ (327°) ด้วยตัวอักษร A และจุดวิกฤตของพลวงบริสุทธิ์ (630°) ด้วยตัวอักษร C ดังที่ทราบจากการสังเกตครั้งก่อน แต่ละโลหะผสมมีจุดวิกฤตสองจุด ยกเว้น โลหะผสมยูเทคติก ให้เราแสดงอุณหภูมิวิกฤตของโลหะผสมยูเทคติกด้วยตัวอักษร B ให้เราเชื่อมต่อจุด A และ C ด้วยเส้นโค้งเรียบไปยังจุด B เพื่อให้เส้นโค้งผ่านจุดวิกฤตบนทั้งหมด เราลากเส้นตรงผ่านจุดวิกฤติด้านล่างทั้งหมด ซึ่งจะผ่านจุด B ด้วย และแสดงปลายด้านซ้ายด้วยตัวอักษร D และปลายด้านขวาด้วยตัวอักษร E จุดวิกฤตบนคือจุดเริ่มต้นของการแข็งตัว ของโลหะผสม และจุดวิกฤตที่ต่ำกว่าคือจุดสิ้นสุดของการแข็งตัวของโลหะผสม เส้น ABC ของแผนภาพเรียกว่าเส้น liquidus (มาจากคำภาษาละติน liquid) เหนือเส้น ABC โลหะผสมตะกั่วและพลวงทั้งหมดมีสถานะเป็นของเหลว เส้น DBE เรียกว่าเส้นโซลิดัส (จากคำภาษาละตินแปลว่า "ของแข็ง") ใต้เส้น DBE โลหะผสมของตะกั่วกับพลวงทั้งหมดจะอยู่ในสถานะของแข็ง และใต้เส้น DB จะประกอบด้วยผลึกของตะกั่วและยูเทคติก และเรียกว่าไฮโปยูเทคติก ต่ำกว่าจุด B - จากยูเทคติกบริสุทธิ์ (เรียกว่ายูเทคติก) และใต้เส้น พ.ศ. - จากผลึกพลวงและยูเทคติกส์ (ไฮเปอร์ยูเทคติก)

6. ส่วนประกอบโครงสร้างของโลหะผสมเหล็กคาร์บอน

มีส่วนประกอบโครงสร้างต่างๆ ของโลหะผสมเหล็กคาร์บอน พวกเขามีชื่อดังต่อไปนี้: เฟอร์ไรต์, ซีเมนไทต์, ออสเทนไนต์

เฟอร์ไรต์เป็นชื่อที่ตั้งให้กับเหล็กบริสุทธิ์ทางเคมี เช่นเดียวกับสารละลายคาร์บอนที่เป็นของแข็งในเหล็ก ความสามารถในการละลายของคาร์บอนในเหล็กต่ำมากและมักจะอยู่ที่ 0.006-0.04% เฟอร์ไรต์มีความเสถียรจนถึงอุณหภูมิ 910° มีความแข็งต่ำและมีความแข็งแรงต่ำ ความแข็งของเฟอร์ไรต์ขึ้นอยู่กับขนาดของเกรน ความเป็นพลาสติกของเฟอร์ไรต์อยู่ในระดับสูง

ซีเมนต์ไทต์เป็นสารประกอบทางเคมีของเหล็กและคาร์บอน ซีเมนต์ไทต์ประกอบด้วยคาร์บอน 6.67% (โดยน้ำหนัก) และเป็นสารผลึกที่แข็งและเปราะมาก ซึ่งเมื่อถูกความร้อนที่อุณหภูมิสูง จะแตกตัวออกเป็นเฟอร์ไรต์และคาร์บอนอิสระ (คาร์บอนหลอม) เหล็กหล่อสีขาวมีซีเมนต์ไนต์เป็นจำนวนมาก ซีเมนต์ไทต์มีผลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกลของเหล็ก

ส่วนผสมทางกลของเฟอร์ไรต์และซีเมนไทต์ทำให้เกิดโครงสร้างเหล็กที่เรียกว่าเพิร์ลไลต์ เพอร์ไลต์มีสองประเภท: แบบลาเมลลาร์ หรือแบบลาย และแบบเม็ด ลาเมลลาร์ เพิร์ลไลท์มีลักษณะเป็นแผ่นเฟอร์ไรต์และซีเมนต์ไซต์ที่มีขนาดเล็กมากสลับกัน ด้วยการให้ความร้อนถึงอุณหภูมิที่กำหนดจึงเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนโครงสร้างของลาเมลลาร์เพิร์ลไลต์และรับสิ่งที่เรียกว่าเพิร์ลไลต์แบบเม็ดซึ่งซีเมนไทต์จะอยู่ในรูปของเม็ดกลมที่อยู่ท่ามกลางเฟอร์ไรต์

เพอร์ไลต์แบบเม็ดมีคุณสมบัติเชิงกลดีกว่าลาเมลลาร์เพอร์ไลต์ ในแง่ของคุณสมบัติทางกล เพิร์ลไลต์มีตำแหน่งตรงกลางระหว่างเฟอร์ไรต์และซีเมนต์ เหล็กที่มีปริมาณคาร์บอน 0.83% มีโครงสร้างเพียวไลต์

ออสเทนไนต์เป็นสารละลายของแข็งของคาร์บอนในเหล็ก ความสามารถในการละลายของคาร์บอนในเหล็ก y สามารถเข้าถึง 1.7% ในเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา ออสเทนไนต์จะคงตัวได้ถึงอุณหภูมิ 723° ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 723° จะสลายตัวเป็นเฟอร์ไรต์และซีเมนไทต์ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 723° ออสเทนไนต์สามารถเก็บรักษาได้ในเหล็กแมงกานีส โครเมียม-นิกเกิล หรือนิกเกิลที่มีโลหะผสมสูงเท่านั้น

ส่วนผสมยูเทคติกของออสเทนไนต์และซีเมนไทต์ทำให้เกิดโครงสร้างเหล็กที่เรียกว่าเลดบูไรต์ Ledeburite เกิดขึ้นเมื่อโลหะผสมของเหล็ก-คาร์บอนที่มีปริมาณคาร์บอน 4.3% แข็งตัวที่อุณหภูมิ 1130° Ledeburite ยังคงเสถียรจนถึงอุณหภูมิ 723° เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่านี้ ledeburite จะเปลี่ยนโครงสร้าง เนื่องจากออสเทนไนต์ที่รวมอยู่ในองค์ประกอบของมันจะสลายตัวเป็นเพิร์ลไลท์ ซึ่งเป็นผลมาจากการที่ ledeburite ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 723° จะประกอบด้วยเพิร์ลไลต์และซีเมนไทต์

7. แผนภาพสถานะของโลหะผสมเหล็กคาร์บอน

เหล็กกล้าและเหล็กหล่อเป็นโลหะผสมเชิงซ้อนที่มีองค์ประกอบอื่นๆ นอกเหนือจากเหล็กและคาร์บอน เช่น ซิลิคอน แมงกานีส ฟอสฟอรัส และซัลเฟอร์ รวมถึงโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก (ในโลหะผสมเหล็กและเหล็กหล่อ) ส่วนประกอบหลักที่กำหนดลักษณะและคุณสมบัติของโลหะผสมเหล็ก-คาร์บอนคือคาร์บอน โครงสร้างและคุณสมบัติของเหล็กและเหล็กหล่อจะเปลี่ยนไปก็ต่อเมื่อได้รับความร้อนถึงอุณหภูมิวิกฤติเท่านั้น ขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอนในโลหะผสมเหล่านี้ อุณหภูมิวิกฤตของโลหะผสมเหล็ก-คาร์บอนที่มีปริมาณคาร์บอนต่างกันสามารถพล็อตบนแผนภาพพิเศษที่เรียกว่าแผนภาพสถานะของโลหะผสมของระบบเหล็ก-คาร์บอน

แผนภาพดังกล่าว (รูปที่ 19) ทำให้สามารถระบุจุดหลอมเหลวของโลหะผสมเหล็กและเหล็กหล่อแต่ละชนิด การเปลี่ยนแปลงทั้งหมดที่โลหะผสมประสบระหว่างการทำความเย็นและการทำความร้อน และโครงสร้างของโลหะผสมที่อุณหภูมิใดก็ได้ แกนนอนของแผนภาพแสดงปริมาณคาร์บอนเป็นเปอร์เซ็นต์ และแกนตั้งแสดงอุณหภูมิ แต่ละจุดบนแผนภาพแสดงถึงโลหะผสมเฉพาะที่อุณหภูมิที่กำหนด เหนือเส้น ACD อัลลอยด์ทั้งหมดจะมีสถานะเป็นของเหลว เส้น ACD คือเส้น Liquidus

เหล็กบริสุทธิ์ละลายและแข็งตัว ณ จุดหนึ่งที่อุณหภูมิ 1,535° โลหะผสมอื่นๆ ของเหล็กและคาร์บอนจะละลายและแข็งตัวในช่วงอุณหภูมิหนึ่งซึ่งจะค่อยๆ เปลี่ยนแปลงไป โลหะผสมที่มีคาร์บอนตั้งแต่ 0 ถึง 4.39% จะเริ่มแข็งตัวตามแนวเส้น AC และปล่อยผลึกออสเทนไนต์ที่เป็นของแข็งออกมา โลหะผสมที่มีคาร์บอนมากกว่า 4.3% เริ่มแข็งตัวตามแนวเส้น CD และปล่อยผลึกซีเมนต์ Fe3C ที่เป็นของแข็งออกมา โลหะผสมที่มีคาร์บอน 4.3% จะแข็งตัวอย่างสมบูรณ์ที่จุด C โดยปล่อยทั้งผลึกออสเทนไนต์และซีเมนไทต์ ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของยูเทคติกที่เรียกว่า ledeburite เส้น AECF คือเส้นโซลิดัส ด้านล่างเส้นนี้โลหะผสมทั้งหมดจะอยู่ในสถานะของแข็ง พื้นที่ของแผนภาพที่ถูกจำกัดด้วยเส้น AC, CE, EA แสดงถึงโลหะผสมที่ประกอบด้วยผลึกแข็งของออสเทนไนต์และโลหะผสมเหลว พื้นที่ของแผนภาพที่ล้อมรอบด้วยเส้น DC CF, FD รวมถึงโลหะผสมที่ประกอบด้วยผลึกซีเมนไทต์แข็งและโลหะผสมเหลว

ข้าว. 19. แผนภาพสถานะของระบบเหล็ก - คาร์บอน

โลหะผสมที่อยู่ในพื้นที่ของแผนภาพที่ถูกจำกัดด้วยเส้น AE, ES, SG ประกอบด้วยออสเทนไนต์ ตามแนว ES ซีเมนต์ไนต์เริ่มตกตะกอนจากออสเทนไนต์ ใต้เส้น PSK ออสเทนไนต์ที่เหลือทั้งหมดจะสลายตัวที่จุดที่ 5 เป็นเฟอร์ไรต์และซีเมนไทต์ เกิดเป็นส่วนผสมเชิงกลที่เรียกว่าเพิร์ลไลต์ และที่จุดที่ 5 โลหะผสมจะมีคาร์บอน 0.83°/ประมาณ โลหะผสมดังกล่าวเรียกว่ายูเทคตอยด์ เส้น GPQ แสดงขีดจำกัดความอิ่มตัวของเหล็ก a กับคาร์บอน

8. การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเหล็ก

เมื่อเหล็กถูกให้ความร้อนเหนือจุดวิกฤติ Aci (รูปที่ 20) (อุณหภูมิที่เพิร์ลไลต์เปลี่ยนเป็นออสเทนไนต์) ดังที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าการเปลี่ยนแปลงจะเริ่มเกิดขึ้นในโครงสร้างของเหล็ก หลังจากการเปลี่ยนแปลงเสร็จสิ้น การให้ความร้อนหรือการกักเก็บเพิ่มเติมจะนำไปสู่การเติบโตของเมล็ดออสเทนไนต์ การเจริญเติบโตของเมล็ดพืชเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ และอัตราของกระบวนการนี้จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

การเจริญเติบโตของเมล็ดออสเทนไนต์เกิดขึ้นในรูปแบบต่างๆ และขึ้นอยู่กับแนวโน้มของเมล็ดพืชที่จะเติบโต ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสิ่งนี้ จึงมีความแตกต่างระหว่างเหล็กกล้าที่มีเม็ดหยาบโดยกรรมพันธุ์และเหล็กกล้าที่มีเม็ดละเอียดโดยกรรมพันธุ์ พันธุกรรมหมายถึงแนวโน้มของเมล็ดข้าวที่จะเติบโต เหล็กเม็ดหยาบโดยพันธุกรรมมีแนวโน้มที่จะเติบโตของเมล็ดออสเทนนิติกเพิ่มขึ้น และเหล็กเม็ดละเอียดโดยพันธุกรรมมีแนวโน้มเติบโตต่ำ

การเปลี่ยนแปลงขนาดเกรนเมื่อให้ความร้อนของเหล็กเหล่านี้ สามารถดูได้จากรูปที่ 1 20. เมื่อเหล็กถูกให้ความร้อนเหนือจุดวิกฤต Acx ขนาดเกรนของเหล็กจะลดลงอย่างรวดเร็ว ด้วยการให้ความร้อนเพิ่มเติม เมล็ดออสเทนนิติกในเหล็กเนื้อละเอียดตามกรรมพันธุ์จะไม่เติบโตจนกว่าอุณหภูมิจะอยู่ที่ 950-1,000° ซึ่งหลังจากนั้นจะเริ่มมีการเจริญเติบโตของเมล็ดพืชอย่างรวดเร็ว

ในเหล็กที่มีเม็ดหยาบโดยพันธุกรรม เม็ดจะเริ่มเติบโตทันทีหลังจากผ่านจุดวิกฤต Ac\ ขนาดของเกรนออสเทนไนต์มีความสำคัญอย่างยิ่งในการได้รับผลลัพธ์สุดท้ายเมื่อเหล็กกล้าอบชุบด้วยความร้อน การเปลี่ยนแปลงของเพิร์ลไลต์และออสเทนไนต์นั้นมาพร้อมกับการปรับแต่งเกรนให้ละเอียด เมล็ดพืชที่เกิดขึ้นระหว่างการเปลี่ยนแปลงนี้ถือว่าละเอียดมาก ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงแบบย้อนกลับของเมล็ดออสเทนไนต์เป็นเมล็ดมุก แทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดเกิดขึ้น (รูปที่ 21) ดังนั้นขนาดเกรนของเพิร์ลไลต์จึงขึ้นอยู่กับขนาดของเกรนออสเทนไนต์เป็นหลัก และเนื่องจากเกรนออสเทนไนต์จะเติบโตเมื่อถูกความร้อนเท่านั้น จากนั้นโดยการให้ความร้อนแก่เหล็กจนถึงอุณหภูมิที่กำหนด จึงสามารถได้ขนาดเกรนสุดท้ายของเหล็กที่ต้องการ ขนาดของเกรนเหล็กตามจริง เช่นเกรนที่ได้รับจากการบำบัดความร้อนอย่างใดอย่างหนึ่ง มีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกลของเหล็ก

ข้าว. 20. แผนการเจริญเติบโตของเมล็ดข้าวในเหล็กเนื้อละเอียดและเนื้อหยาบโดยกรรมพันธุ์

เหล็กเม็ดหยาบถูกเผาและแปรรูปได้ง่ายด้วยเครื่องมือตัด แต่ในขณะเดียวกันก็มีแนวโน้มที่จะทำให้การเสียรูปแข็งตัวและเกิดรอยแตกร้าวในนั้นได้มากกว่า เหล็กเม็ดละเอียดมีความทนทานต่อแรงกระแทกมากกว่าเหล็กเม็ดหยาบ แต่มีความสามารถในการชุบแข็งน้อยกว่า เหล็กเม็ดละเอียดใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่ต้องใช้แกนที่แข็งแรงบนพื้นผิวแข็ง

เมื่อเหล็กที่ได้รับความร้อนถูกทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ จนถึงสถานะออสเทนนิติก ออสเทนไนต์จะเปลี่ยนเป็นเพิร์ลไลต์ เฟอร์ไรต์ และซีเมนไทต์ ที่อัตราการทำความเย็นสูง - ตั้งแต่ 40 ถึง 200° ต่อวินาทีหรือมากกว่า - เป็นผลมาจากการสลายตัวของออสเทนไนต์ ทำให้ได้โครงสร้างเหล็ก: ซอร์บิทอล ทรูสต์ไทต์ และมาร์เทนไซต์

ซอร์บิทอลมีสองประเภท: ซอร์บิทอลที่ทำให้แข็งและซอร์บิทอลแบ่งเบาบรรเทา ซอร์บิทอลที่แข็งตัวประกอบด้วยแผ่นเฟอร์ไรต์และซีเมนไทต์สลับกัน แต่แผ่นซีเมนไทต์ในนั้นจะบางกว่าเพิร์ลไลต์มาก ซอร์บิทอลแข็งกว่าเพอร์ไลต์ แต่มีความหนืดน้อยกว่า ซอร์บิทอลชนิดเทมเปอร์ได้มาจากการสลายตัวของมาร์เทนไซต์ในเหล็ก เมื่อถูกทำให้แข็งในช่วงอุณหภูมิ 500-600° ในซอร์บิทอลที่ถูกทำให้ร้อน อนุภาคของซีเมนต์ไนต์จะมีรูปร่างเป็นทรงกลม Troostite เช่นเดียวกับซอร์บิทอลมีสองประเภท: troostite ที่แข็งตัวและ troostite ที่แข็งตัว Troostite เป็นส่วนผสมเชิงกลของแผ่นเฟอร์ไรต์และซีเมนไทต์ แต่บางกว่าในซอร์บิทอล Troostite มีความแข็งมากกว่าเมื่อเทียบกับซอร์บิทอล แต่มีความหนืดต่ำกว่า Tempered troostite เป็นผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวของมาร์เทนไซต์เมื่อถูกทำให้ร้อนในช่วงอุณหภูมิ 350-450°
มาร์เทนไซต์เป็นสารละลายคาร์บอนที่เป็นของแข็งคั่นระหว่างหน้า ผลึกมาร์เทนไซต์เป็นรูปเข็ม มีความแข็งสูงและทนต่อการสึกหรอได้ดี ความเป็นพลาสติกและความหนืดต่ำ

ข้าว. 21. การเปลี่ยนแปลงขนาดเกรนระหว่างการตกผลึกซ้ำ

ถึงหมวดหมู่: - วัสดุยานยนต์และยางรถยนต์

โครงสร้างภายในของโลหะและโลหะผสม

ของแข็งทั้งหมดแบ่งออกเป็นอสัณฐานและผลึก ในวัตถุอสัณฐาน อะตอมจะถูกจัดเรียงอย่างโกลาหล กล่าวคือ ไม่เป็นระเบียบโดยไม่มีระบบใดๆ (เช่น แก้ว กาว ขี้ผึ้ง ขัดสน ฯลฯ) โลหะและโลหะผสมทั้งหมดมีโครงสร้างผลึก กล่าวคือ อะตอมจะถูกจัดเรียงตามลำดับที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด โดยมีรูปแบบทางเรขาคณิตที่แน่นอน (วัตถุที่เป็นผลึกยังรวมถึงเกลือแกง ควอตซ์ น้ำตาลทราย ฯลฯ)

หากคุณเชื่อมโยงอะตอมของโลหะด้วยเส้นตรงในจิตใจ คุณจะมีระบบเรขาคณิตปกติที่เรียกว่าโครงตาข่ายคริสตัลเชิงพื้นที่ จากโครงข่ายคริสตัล เราสามารถแยกเซลล์ผลึกระดับประถมศึกษาซึ่งเป็นตัวแทนของอะตอมเชิงซ้อนที่เล็กที่สุดได้ โดยการทำซ้ำซึ่งในสามมิติเราสามารถสร้างโครงข่ายทั้งหมดได้

ที่พบมากที่สุดคือเซลล์ผลึกเบื้องต้นของโลหะสามประเภท (รูปที่ 3): ลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ตัวถัง (โครเมียม ทังสเตน โมลิบดีนัม เหล็ก (สูงถึง 910° และตั้งแต่ 1,400 ถึง 1,539°C) ไทเทเนียม (ที่อุณหภูมิสูงกว่า 882 °C)) วางตรงกลางหน้าลูกบาศก์ (อะลูมิเนียม ทองแดง นิกเกิล ตะกั่ว ทอง เงิน เหล็ก (ที่อุณหภูมิ 910–1400°C)) และหกเหลี่ยม (สังกะสี แมกนีเซียม เบริลเลียม ไทเทเนียม (สูงถึง 882°C)) .

อะตอมของโลหะก่อตัวเป็นโครงผลึกเนื่องจากมีพันธะโลหะพิเศษ ที่บริเวณที่เป็นโครงผลึกโลหะ จะมีไอออนที่มีประจุบวกจับอยู่ที่ระยะห่างจากกันโดยอิเล็กตรอนอิสระ โครงสร้างภายในนี้กำหนดคุณลักษณะเฉพาะของโลหะ เช่น การนำไฟฟ้าและความร้อน ความเป็นพลาสติก คุณสมบัติของโลหะไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับชนิดของโครงตาข่ายคริสตัลเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างอะตอมด้วย

ความสม่ำเสมอทางเรขาคณิตของการจัดเรียงอะตอมในโครงผลึกทำให้โลหะมีลักษณะที่วัตถุอสัณฐานไม่มี

คุณสมบัติประการแรกของโลหะคือแอนไอโซโทรปีของคุณสมบัติของคริสตัล นั่นคือความแตกต่างในคุณสมบัติของผลึกในทิศทางที่ต่างกัน Anisotropy ถูกอธิบายโดยความหนาแน่นไม่เท่ากันของอะตอมในระนาบต่าง ๆ ของโครงตาข่ายคริสตัล เนื่องจากระยะห่างระหว่างอะตอมในโครงตาข่ายในทิศทางที่ต่างกันไม่เท่ากัน วัตถุอสัณฐานนั้นต่างจากวัตถุที่เป็นผลึกคือไอโซโทรปิกนั่นคือคุณสมบัติของพวกมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับทิศทาง

ในเนื้อโลหะ คุณสมบัติแอนไอโซโทรปีจะไม่เด่นชัดเท่ากับในผลึกเดี่ยว โลหะเป็นวัตถุโพลีคริสตัลไลน์ กล่าวคือ ไม่ได้ประกอบด้วยคริสตัลเพียงอันเดียว แต่มีคริสตัลจำนวนนับไม่ถ้วนซึ่งมีรูปแบบที่แตกต่างกัน การสุ่มทิศทางของคริสตัลแต่ละอันนำไปสู่ความจริงที่ว่าคริสตัลที่มีการวางแนวที่แตกต่างกันจำนวนเท่ากันนั้นอยู่ในทิศทางใดก็ได้ เป็นผลให้ปรากฎว่าโดยเฉลี่ยแล้วคุณสมบัติของวัตถุโพลีคริสตัลไลน์จะเท่ากันในทุกทิศทาง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่ากึ่งไอโซโทรปี (ไอโซโทรปีเท็จ)

คุณลักษณะที่สองของโลหะในฐานะที่เป็นโครงสร้างผลึกคือการมีระนาบสลิป (ความแตกแยก) ตามระนาบเหล่านี้ การเลื่อนหรือการแยก (การทำลาย) ของอนุภาคคริสตัลเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอก ในวัตถุอสัณฐาน การกระจัดของอนุภาคจะไม่เกิดขึ้นบนระนาบบางระนาบ แต่เป็นการสุ่ม การแตกหักในร่างกายอสัณฐานมักจะมีรูปร่างโค้งผิดปกติ

คุณลักษณะที่สามของโลหะในฐานะที่เป็นโครงสร้างผลึกก็คือ กระบวนการเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลว และในทางกลับกันจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าอุณหภูมิหลอมเหลว (การแข็งตัว) วัตถุอสัณฐานจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวค่อยๆ และไม่มีจุดหลอมเหลวจำเพาะ