МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Свойства материалов
Металловедение – наука, изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов (тепловых, химических, механических и т.д.)
Каждый отдельный вид материи, обладающий определенным составом и свойствами, называется веществом. Признаки, по которым различные вещества отличаются друг от друга, называются свойствами.
Вещества различаются по агрегатному состоянию (твердое, жидкое, газообразное), плотности, температуре плавления и кипения, цвету и т.д. Вещества могут быть простыми (железо, медь, кислород, углерод) и сложными (вода, углекислый газ, металлические сплавы).
Вещества делятся на чистые и смеси. Чистые вещества могут быть как простые, так и сложные и состоят из однородных молекул, атомов и ионов. Смеси состоят из отдельных молекул различных элементов, например воздух состоит из смеси кислорода, азота, углекислого газа, аргона и других элементов.
К конструкционным материалам относятся природные материалы (дерево, базальт), металлы и их сплавы, пластические массы.
Под физическими свойствами различных материалов, относящихся к конструкционным, понимаются следующие:
– плотность, по плотности металлы и их сплавы делятся на легкие (менее 5000 кг/м 3 ) и тяжелые (более 5000 кг/м 3 );
– пористость – степень заполнения объема порами (характерно для полимерных и природных материалов;
– теплопроводность – способность передавать через себя тепловой поток, характеризуется количеством теплоты, проходящей за 1 час через слой толщиной 1м., площадью 1м 2 . (свободные электроны). Теплопроводность имеет большое значение при выборе материалов для теплообменных аппаратов, теплоограждающих конструкций, изоляции труб.
– электропроводность – способность проводить электрический ток (за счет свободных электронов). При нагревании электропроводность уменьшается. (провода, реостаты, эл.спирали).
– водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду;
– влажность – отношение по массе влаги, содержащейся в образце к его массе в сухом состоянии;
– водопроницаемость – способность материала пропускать через себя воду (характеризуется количеством прошедшей воды за час через площадь пр и постоянном давлении).
– паро и газопроницаемость;
– морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное число циклов замораживания и оттаивания без видимых признаков разрушения и без значительного понижения прочности;
– тепловое расширение – способность материала изменять свои размеры в процессе нагревания:
– температура плавления – температура, при которой материал переходит в жидкое состояние при нормальном давлении; применяют две шкалы термодинамическую (К) и международную практическую ( о С).
Под механическими свойствами понимаются:
– прочность – способность тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок;
– пластичность – способность материала получать остаточные изменения формы и размера без разрушения;
– твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого;
– ударная вязкость – характеристика материала, по которой оценивают его сопротивление хрупкому разрушению;
– усталость – изменение механических и физических свойств материала под действием циклических и знакопеременных нагрузок (трещины);
– ползучесть – способность материала к медленной и непрерывной пластической деформации при действии постоянной нагрузки;
Химические свойства материалов характеризуются способностью отдавать электроны при их взаимодействии с другими химическими элементами. У металлов и их сплавов это при водит к тому, что они окисляются. Наиболее химически активные металлы способны окисляться на воздухе при нормальных условиях. К химическим свойствам металлов и их сплавов относятся:
– жаростойкость – способность металлов и сплавов сопротивляться окислению при высоких температурах;
– кислотостойкость или коррозионная стойкость – способность металлов и сплавов противостоять действию агрессивных кислотных и щелочных сред.
Технологические, эксплуатационные свойства металлов и их сплавов.
– литейные свойства (жидкотекучесть, усадка);
– деформируемость (листовая и объемная штамповка);
– свариваемость (неразъемные равнопрочные соединения);
– хладостойкость – способность сохранять пластические свойства при низких температурах;
– жаропрочность – способность сохранять механические свойства при высоких температурах;
– антифрикционность – способность прирабатываться материалов друг к другу при их взаимном смещении.
Атомно – кристаллическая структура металлов
Все металлы и их сплавы тела кристаллические, атомы располагаются закономерно с образованием кристаллической решетки. Расположение атомов определяется силой взаимодействия между собой (силы притяжения и отталкивания) – металлическая связь. Атомы располагаются так, чтобы энергия их взаимодействия была минимальной.
Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами. В сплаве может быть два и более компонентов.
Под атомно–кристаллической структурой металлов понимают взаимное положение атомов в кристалле. Атомы (ионы) расположены в кристалле в определенном порядке, повторяющемся в трех измерениях. Атомы металлов легко отдают внешние (валентные) электроны, превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Электроны, освободившиеся от атомов, непрерывно хаотически перемещаются по всему объему металла, иногда, сталкиваясь с положительно заряженными ионами, снова соединяются с ними.
Решетки представляют собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой расположены атомы (ионы). Расстояния между центрами соседних атомов измеряют в ангстремах (1Å = 10 -10 м. = 10 -7 мм.). Рентгеноструктурный анализ позволяет измерять размеры решеток в ангстремах с точностью до 4 – 5 знака после запятой.
Подавляющееся число металлов образуют следующие виды кристаллических решеток.
1. Объемно-центрированная кубическая – ОЦК. (9 атомов). Cr, Mo, Be, Feα .
2. Гранецентрированная кубическая – ГЦК. (14 атомов). Ni, Cu, Au, Feγ .
3. Гексагональная плотноупакованная – ГПУ. (17 атомов).
а, с – параметры решеток, например Cr – а = 2,878Å, Al – а = 4,041 Å.
Кристаллы обладают анизотропией – прочность кристаллов в различных направлениях для несимметричных решеток не одинакова. Для свойств металлов и их сплавов важно с каким числом соседних атомов контактирует каждый атом. Число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от данного атома, называется координационным числом.
ОЦК – К8, ГЦК – К12, ГПУ – Г12.
При превышении температуры плавления сплав, проходя через твердо-жидкое состояние, превращается в расплав.
2. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов
Физико-механические свойства металлов тесно связаны с особенностями их кристаллического строения. В твердом состоянии атомы всех металлов и металлических сплавов располагаются в строгом порядке, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В промышленных металлах наиболее распространены следующие кристаллические решетки (рис. 11.2): кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная. В элементарной кубической объемно – центрированной решетке находится девять атомов (восемь в вершинах куба и один в центре). Такую решетку имеет железо при температуре до 910°С и выше 1390°С, хром, вольфрам, ванадии и др. В кубической гране центрированной решетке 14 атомов (восемь в вершинах куба и по одному в центре каждой грани). Такую решетку имеют: железо при температуре 910-1390°С, медь, никель, алюминий и др. В гексагональной решетке, имеющей форму шестигранной призмы, 17 атомов (12 в вершинах, два в центре оснований и три внутри призмы). Данная решетка имеется у магния, цинка и других металлов.
Возможны и другие формы кристаллических решеток. Атомы в решетке находятся на определенных расстояниях один от другого. Эти расстояния очень малы и вычисляются в нанометрах (1 нм = 10 -9 м). Расположение атомов, межатомные расстояния, насыщенность атомами все, что влияет на качество металлов.
Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами (периодами) – расстояниями между центрами атомов, расположенных в узлах элементарной ячейки. Например, для железа эти параметры равны 28,4 – 36,3 нм. При этом плотность и степень упаковки атомов кристаллической решетки характеризуется отношением объема, занятого атомами, к объему кристаллической решетки.
В зависимости от формы кристаллической ячейки и степени ее упаковки каждый атом имеет различное число взаимных контактов с другими атомами. Эта величина характеризуется координационным числом – числом атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от данного атома: при кубической объемно-центрированной решетке – К18; при кубической гранецентрированной – К12 и др. Каждый металл имеет свою характерную кристаллическую ячейку, которая многократно повторяется и образует решетку его структуры.
В металлах действуют различные виды физико-химической связи: металлическая, ван-дер-ваальсовая, ионная и ковалентная. В переходных металлах, к которым относится сталь, преобладает металлическая связь, возникающая за счет сил притяжения между решеткой из положительно заряженных ионов и окружающим их «газом» свободных электронов.
При отсутствии внешней нагрузки атомы в кристалле находятся на равновесных расстояниях. Если приложить сжимающую нагрузку, то атомы будут сближаться до такого расстояния, при котором внутренние отталкивающие силы уравновесят внешние сжимающие силы. При растяжении кристалла расстояние между атомами увеличивается до тех пор, пока силы притяжения не уравновесят внешнюю нагрузку. Сопротивление деформированию определяется сопротивлением сдвигу одного атомного слоя относительно другого, соседнего. В случае приложения внешней силы наряду со сдвигом разрушение может произойти путем отрыва одной части кристалла от другой. Теоретически вычисленные напряжения, необходимые для отрыва одного атомного слоя от другого, на несколько порядков выше, чем прочность реальных кристаллов.
Столь большое расхождение между теоретической и реальной прочностью металлов обусловлено дефектами кристаллов. Дефекты, в кристаллах по геометрическим признакам разделяют на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Точечные имеют размер порядка диаметра атома. К ним относят чужеродные атомы (примеси), вакансии, межузельные атомы и др. Линейные дефекты обладают сечением порядка атома и одним протяженным размером. Это дислокации различных типов, цепочки вакансий, межузельных атомов. К поверхностным дефектам причисляют границы зерен и блоков, свободные поверхности кристаллов и др., они имеют только один малый размер – толщину. К объемным дефектам относят в кристаллах микротрещины, поры, различные включения.
Дислокации играют главную роль в процессах пластической деформации металлов, они в значительной мере определяют их реальную прочность. Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные криволинейные. Возникают они в металлах в процессе кристаллизации, пластической деформации и по другим причинам, вызывающим создание в кристаллической решетке полей напряжений, приводящих к соответствующим локальным деформациям и смещениям. Краевые, или линейные, дислокации характеризуются появлением в кристалле добавочной незавершенной атомной плоскости (экстраплоскости). Дислокация называется положительной (рис. 11.3), если экстраплоскость лежит в верхней части кристалла, и отрицательной, если она расположена в нижней части кристалла.
Винтовая дислокация (рис. 11.4) появляется, если в кристалле сделать надрез и сдвинуть вниз одну часть кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние (на рис. 11.4 плоскость сдвига заштрихована). Как видно из рисунка, смещение уменьшается от точки А к точке В, что вызывает изгиб атомных плоскостей. Несовершенная область вокруг линии ВС называется винтовой дислокацией, так как после появления такого несовершенства атомные плоскости кристалла закручиваются подобно винтовой лестнице.
Дефекты кристаллического строения возникают уже в процессе кристаллизации металла. Взаимодействие дефектов между собой приводит к образованию новых несовершенств. Нарушения правильности кристаллического строения приводят к изменению свойств металла.
Дислокации оказывают большое влияние на прочностные характеристики металла. На рис. 11.5 показана обобщенная зависимость между прочностью и плотностью дислокаций 
D. Идеальные (бездефектные) кристаллы имеют теоретическую прочность. К этому значению приближается прочность сверхтонких кристаллов с диаметром порядка 1 мкм и менее, практически не содержащих дислокаций. Такие кристаллы получили название нитевидных (НК).
Достигнув минимального значения при некоторой критической плотности дислокаций, реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокаций выше D кр объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, т. е. в элементарный акт пластической деформации будет вовлекаться одновременно все большее число атомов, и реальная прочность металла повысится. Традиционными способами упрочнения металлов, ведущими к увеличению плотности дислокаций, являются механический наклеп, измельчение зерна и общее фрагментирование кристаллов в результате термообработки.
Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при его переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, имеют важное значение, так как в значительной степени определяют свойства металла. Кристаллизация состоит в следующем. В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадии: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров.
На рис. 11.6 показан механизм кристаллизации. Сначала рост кристаллов не встречает препятствий (рис. 11.6, а,б), и растущие кристаллы сохраняют правильность строения кристаллической решетки. При дальнейшем движении кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся зерна имеют уже неправильную форму, но сохраняют правильность строения внутри каждого кристалла. Такие группы кристаллов называют зернами (рис. 11.6, в-д). На рис. 11.6, е показаны границы зерен различных размеров. Размеры зерен зависят от природы металла и условий его кристаллизации.
При охлаждении расплава металла с началом его кристаллизации падение температуры прекращается, на кривой охлаждения (рис. 11.7) образуется горизонтальный участок (см. левый график). Это объясняется тем, что группировка атомов идет с выделением теплоты. По окончании затвердевания температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре.
Температуру, при которой металл переходит из жидкого состояния в твердое, называют температурой первичной кристаллизации. Кроме первичной кристаллизации, возможна и вторичная – изменение кристаллического строения металлов в твердом состоянии.
При быстром отводе теплоты некоторые металлы способны определенное время находиться в жидком состоянии при температуре ниже границы первичной кристаллизации. Это явление объясняют следующим образом. В результате быстрого отвода теплоты образуется много центров кристаллизации и происходит их интенсивный рост, что приводит к выделению значительного количества теплоты, способной некоторое время поддерживать металл в жидком состоянии и даже повышать его температуру.
Металлы обладают свойствами аллотропии, т. е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: 
-Fe; 
-Fe; 
-Fe; 
-Fe. Практическое значение имеют только -Fe -Fe так как -Fe и -Fe отличаются от -Fe только величиной межатомного расстояния, а для -Fe характерно отсутствие магнитных свойств.
Температура, при которой происходит переход металла из одной аллотропической формы в другую, называется критической. Точки этих температур видны на диаграмме охлаждения чистого железа (см. рис. 11.8) как температуры горизонтальных участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением теплоты.
Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, т. е. тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен; поперечные размеры этих зерен 0,001-0,1 мм.
Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условно изотропными телами, т. е. обладающими одинаковыми свойствами по всем направлениям.
1. Атомно-кристаллическое строение металлов
Все металлы и металлические сплавы, полученные обычными способами, представляют собой поликристаллические тела, состоящие из различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Эти кристаллы, вследствие взаимного столкновения в процессе кристаллизации, имеют неправильную форму и называются кристаллитами или зернами . На кристалличность металлов – самородных меди и золота – и сходство их кристаллов с кристаллами солей обратил внимание в шестидесятых годах 18-го столетия гениальный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов . Понятие о кристалличности металлов и сплавов легло в основу современного научного объяснения их прочностных и пластических свойств. Атомы (ионы) в кристаллах расположены закономерно.
При особых условиях металлы и сплавы могут быть получены в аморфном состоянии. Атомы в аморфных телах расположены хаотично.
В дальнейшем, вместо выражения "металлы и сплавы" в тексте возможно использование термина "металлы" , что соответствует принятой терминологии. Попутно отметим, что все металлы и сплавы условно подразделяют на две группы. Железо и сплавы на его основе, т.е. сталь и чугун, называют черными металлами , а остальные металлы и их сплавы – цветными .
Атомы в кристалле, располагаясь в определенном порядке, образуют кристаллическую решетку. Эта решетка представляет собою воображаемую пространственную сетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы, а между ними – свободные электроны, получившие название электронного газа .
Расположение атомов в кристалле обычно изображают в виде пространственных так называемых элементарных кристаллических ячеек, перемещением которых можно воспроизвести пространственную кристаллическую решетку. Наиболее распространены три типа кристаллических решеток :
Расстояния между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называются периодами решетки .
В ОЦК решетке каждый атом в вершине куба одновременно принадлежит восьми элементарным ячейкам. Следовательно, на одну элементарную ячейку ОЦК решетки приходится два атома: из них один атом находится в центре куба, а один вносят атомы, расположенные в вершинах куба. Аналогичным образом можно показать, что на одну элементарную ячейку ГЦК решетки приходится четыре атома, а на одну ячейку ГПУ решетки – шесть атомов.
 |
|---|
Важной характеристикой кристаллической решетки является ее плотность , т.е. объем, занятый атомами. Атомы при этом рассматриваются как жесткие шары. Плотность характеризуется координационным числом – числом атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от одного, так называемого базисного, атома.
На рис. 1 приведена схема кубической объемноцентрированной решетки, где за базисный атом взят атом, расположенный в центре куба. Видно, что на равном и ближайшем расстоянии от него находится 8 атомов, расположенных в вершинах куба. Таким образом, координационное число для этой решетки 8 (обозначается К8), а коэффициент заполнения, т.е. отношение объема, занятого атомами, к объему ячейки, составит 68%.
Чем больше координационное число решетки, тем выше плотность упаковки атомов. Для гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной решеток координационное число 12 (принятое обозначение К12 и Г12). Эти решетки являются наиболее компактными. Коэффициент заполнения в них составляет 74%.
В специальной литературе рассматриваются такие вопросы, как кристаллографические обозначения атомных плоскостей кристаллов и индексы направлений, что необходимо, например, при объяснении такого характерного для металлических кристаллов свойства, как анизотропия , – неодинаковость многих свойств – физических, химических, механических – по разным кристаллографическим направлениям. Связано это с тем, что различные плоскости заполнены атомами с различной плотностью. В качестве примера рассмотрим две плоскости в объемноцентрированной кубической решетке: плоскость куба и плоскость, проходящую через элементарную ячейку (рис. 2).
 |
|---|
Четыре атома, расположенные в вершинах квадрата, вносят в плоскость куба один атом, поскольку каждый из этих атомов в совокупности с соседними ячейками принадлежит четырем плоскостям. Следовательно, плотность атомов в плоскости куба составит 1/a 2 (а – период решетки). Плотность атомов в плоскости, проходящей через элементарную ячейку, как нетрудно показать, составит 
, т.е. в 
раз будет больше.
