КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

Типы кристаллических решеток. Твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Кристалические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела при нагреве раз-мягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем переходят в жидкое состояние.

Все металлы и их сплавы -- тела кристаллические. Металлами называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов также способность свариваться.. Для металлов характерно то, что, вступая в химические реакции с элементами, являющими-ся неметаллами, они отдают последним свои внешние, валентные электроны. Это объясняется тем, что у атомов металла внешние электроны непрочно связаны с его ядром. Металлы имеют на наружных оболочках всего 1--2 электрона, тогда как у неметаллов таких электронов много (5-8).

Чистые химические элементы металлов (на-пример, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-ме-таллов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называ-ют металлическими сплавами. Простые вещест-ва, образующие сплав, называют компонентами сплава.

Для описания кристаллической структуры ме-таллов пользуются понятием кристаллической ре-шетки. Кристаллическая решетка -- это вообра-жаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие ме-талл. Частицы вещества (ионы, атомы), из кото-рых построен кристалл, расположены в опреде-ленном геометрическом порядке, который перио-дически повторяется в пространстве. В отличие от кристаллов в аморфных телах (стекло, пласт-массы) атомы располагаются в пространстве бес-порядочно, хаотично.

Формирование кристаллической решетки в ме-талле происходит следующим образом. При пе-реходе металла из жидкого в твердое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают. Харак-тер взаимодействия атомов определяется строе-нием их внешних электронных оболочек. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими ато-мами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т. д. Происходит образование свобод-ных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам. Таким образом, в твердом состоянии металл представляет собой структуру, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых свободными электронами.

Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и свободными электронами возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую, связь между частицами металла называют металлической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ио-нами и электронами. Ионы находятся на таком расстоянии один от другого, при котором потен-циальная энергия взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Та-кое расположение ионов обеспечивается взаимодействием их с валентными электронами, кото-рые связывают ионы в кристаллической решетке.

Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки:

объемно-центрированная кубическая (ОЦК) -- б-Fe, Cr, W, гранецентрированная кубическая (ГЦК) -- г-Fe, A1, Си и

гексагональная плотноупакованная (ГПУ) -- Mg, Zn и др.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом его объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой (рис.).

Рис. I. Элементарные ячейки кристаллических решеток:

I -- кубическая объемно-центрированная ( б-железо), II -- кубическая гранецентрированная (медь), 111 - гексагональная плотноупакованная; а и с -- параметры решеток

Кристаллическая решетка характеризуется ее параметрами, например длиной ребра куба для ОЦК и ГЦК, которая составляет для разных металлов 2,8 ? 6*10 ^-8см.

Дефекты в кристаллах. В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Де-фекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные.

Атомы совершают колебательные движений возле узлов решетки, и с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинако-вой амплитудой. Однако отдельные атомы обла-дают энергией, значительно большей средней энер-гии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверх-ностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 2, а).

Рис. 2. Дефекты в кристаллах:

а - вакансия, б -- внедренный атом, в краевая линейная дислокация, г - неправильное расположение атомов на границе зерен 1 и 2

На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением температуры ко-личество вакансий увеличивается и они чаще пе-ремещаются из одного узла в другой. В диффу-зионных процессах, протекающих в металлах, ва-кансии играют определяющую роль. К точеч-ным дефектам относят также атом, внед-ренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 2, б), и замещенный атом, когда место ато-ма одного металла замещается в кристалличес-кой решетке другим, чужеродным атомом. Точеч-ные дефекты вызывают местное искажение кри-сталлической решетки.

Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристалличе-ской решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лиш-няя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направле-нию сдвига, называется краевой, или линейной, дислокацией (рис. 2, в), длина которой мо-жет достигать многих тысяч межатомных рас-стояний. Шириной дислокации считают расстоя-ние от центра дефекта до места решетки без ис-кажения. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний.

Кристаллическая решетка в зоне дислокации упруго искажена, поскольку атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состоя-ния. Для дислокации характерна их легкая по-движность. Это объясняется тем, что атомы, об-разующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуют-ся в процессе кристаллизации металлов (см. гл.1, § 2), а также при пластической деформа-ции, термической обработке и других процессах.

Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кри-сталлами (рис. 2, г). На границе раздела атомы кристалла расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше наpyшает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на де-сятки градусов. Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристалли-ческой решетки вблизи границ, либо уменьшать-ся из-за наличия примесей и концентрации де-фектов. Дефекты в кристаллах существенно вли-яют на свойства металлов.

Анизотропия кристаллов. Неодинаковость фи-зических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кри-сталлов обусловлена различаем плотности упа-ковки атомов в решетке в различных направле-ниях. Все кристаллы анизотропны, а аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т. е. имеют оди-наковую плотность атомов в различных направ-лениях.

Анизотропия свойств важна при использовании монокристаллов -- одиночных кристаллов, частицы которых расположены единообразно по всему их объему. Монокристаллы имеют правильную кристаллическую огранку (в форме ес-тественных многогранников), анизотропны по ме-ханическим, электрическим и другим физическим свойствам.

Металлы и сплавы, применяемые в технике, обычно имеют поликристаллическую структуру, т. е. состоят из множества мел-ких и различно ориентированных кристаллов, не имеющих правильной кристаллической огранки и называемых кристаллитами (или зернами). В каждом зерне поликристалла наблюдается анизотропия. Однако вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки кристаллографиче-ских плоскостей в различных зернах поликристалл может иметь одинаковые свойства по раз-ным направлениям и не обнаруживать анизотро-пию (когда размеры зерен значительно меньше размеров пол и кристалла и количество их весьма велико). Это обстоятельство во многих случаях позволяет рассматривать поликристаллическое тело как подобное изотропному, несмотря на ани-зотропию свойств отдельных составляющих его зерен.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Переход из жидкого состояния в твердое (кри-сталлическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температу-ры и протекают во времени, поэтому кривые ох-лаждения строятся в координатах температу-ра - время (рис. 3). Теоретический, т. е. идеаль-ный процесс кристаллизации металла без пере-охлаждения протекает при температуре Т ₅ (рис. 3). При достижении идеальной температу-ры затвердевания Т ₅ падение температуры пре-кращается. Это объясняется тем, что перегруп-пировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выде-ляется скрытая теплота кристаллизации). Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной темпера-туре. По окончании затвердевания металла тем-пература его снова понижается.

Рис. 3. Кривые кристаллизации металла при охлаждении с разной скоростью

Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т. е. при переохлажде-нии металла до температур Tn, Tn ₁, Tn ₂ (напри-мер, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (ДT=T _s --Tn) зависит от природы и чистоты ме-талла к скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла ста-новятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных усло-виях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать со-тен градусов.

Процесс кристаллизации состоит из двух ста-дий: зарождения - кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Tn на многих участках жидкого металла (рис. 4, а, б) образуются способные к росту кри-сталлические зародыши.

Рис. 4. Последовательные этапы процесса кристаллизации металла

Сначала образовавшие-ся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 4, в, г, д). Затем при соприкосновении рас-тущих кристаллов их правильная форма нару-шается, так как в этих участках рост граней пре-кращается. Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имев-шие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 4,е).

Величина зерен зависит от числа центров кри-сталлизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.

Величина зерен, образующихся при кристалли-зации, зависит не только от количества самопро-извольно зарождающихся центров кристаллиза-ции, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются готовы-ми центрами кристаллизации. Ими являются окислы (например, Al₂O₃), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристал-лическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем боль-ше таких частичек, тем мельче будут зерна за-кристаллизовавшегося металла.

На образование центров кристаллизации вли-яет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кри-сталлизации и, следовательно, мельче зерно ме-талла.

Чтобы получить мелкое зерно, создают искус-ственные центры кристаллизации. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специ-альные вещества, называемые модификаторами. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, окислы). При модифицировании, например, ста-ли применяют алюминий, титан, ванадий; алю-миниевых сплавов -- марганец, титан, ванадий.

Строение металлического слитка. Форма рас-тущих кристаллов определяется не только усло-виями их касания друг с другом, но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлажде-ния. Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный (древовидный) характер (рис. 5).

Рисунок 5. Схема дендритного роста кристалла

Дендритная кристаллизация характери-зуется тем, что рост зародышей происходит с не-равномерной скоростью. После образования за-родышей их развитие идет в тех плоскостях и на-правлениях решетки, которые имеют наиболь-шую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла --так называемые оси (1) первого порядка (рис. 5). В дальнейшем от осей первого порядка начинают расти новые оси (2) -- оси второго по-рядка, от осей второго порядка-- оси (3) -- третьего порядка и т.д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка, кото-рые постепенно заполняют все промежутки, ра-нее занятые жидким металлом.

Рассмотрим реальный процесс получения стального слитка. Стальные слитки получают ох-лаждением в металлических формах (изложни-цах) или на установках непрерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердеть одновре-менно во всем объеме из-за невозможности со-здания равномерной скорости отвода тепла. По-этому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь жидкого .металла.

При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы 1 (рис. 6) в начальный мо-мент образуется зона мелких равноосных кри-сталлов 2. Так как объем твердого металла меньше жидкого, между стенкой изложницы и застывшим металлом образуется воздушная про-слойка и сама стенка нагревается от соприкос-новения с металлом, поэтому скорость oxлaждeния металла, снижается и кристаллы растут в на-правлении отвода теплоты. При этом образуется зона 3, состоящая из древовидных или столбча-тых кристаллов. Во внутренней зоне слитка 4 об-разуются равноосные, неориентированные кристаллы больших размеров в результате замед-ленного охлаждения.

Рис. 6. Схема строения стального слитка

а - расположение дендритов в наружных частях слитка, б - строение слитка;

1- стенки изложницы, 2 - мелкие равноосные кристаллы, 3 - древовидные кристаллы, 4 - равноосные неориентированные кристаллы больших разме-ров, 5 - усадочная рыхлость, 6 - усадочная раковина

В верхней части слитка, которая затвердевав в последнюю очередь, образуется усадочная ра-ковина 6 вследствие уменьшения объема металла при охлаждении. Под усадочной раковиной ме-талл в зоне 5 получается рыхлым из-за большого количества усадочных пор. Для получения изделий используют только часть слитка, удаляя усадочную раковину и рыхлый металл слитка для последующего переплава.

Слиток имеет неоднородный химический сос-тав, который тем больше, чем крупнее слиток. Например, в стальном слитке концентрация се-ры и фосфора увеличивается от поверхности к центру и снизу вверх. Химическую неоднородность по отдельным зонам слитка называют зо-нальной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства металла.

Аллотропия металлов. Аллотропией, или поли-морфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристалли-ческие формы. Процесс перехода из одной кри-сталлической формы в другую называют алло-тропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается по-глощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью за-траты определенной энергии на перестройку кри-сталлической решетки. Аллотропические превра-щения имеют многие металлы: железо, олово, ти-тан и др. Например, железо в интервале темпе-ратур 911---1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) г-Fe (рис. 7). В интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую ре-шетку (ОЦК) -- б-Fe. Аллотропические формы металла обозначаются буквами а, в, г и т. д. Существующая при самой низкой .температуре ал-лотропическая форма металла обозначается че-рез букву б, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.

Рис. 7. Аллотропические превращения в железе

При аллотропических превращениях происхо-дит изменение свойств металлов - изменение объема металлов (особенно характерно для оло-ва) и растворимости углерода (характерно для железа).

Методы изучения строения металлов. Изуче-ние строения металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновско-го, а также дефектоскопии (рентгеновской, маг-нитной, ультразвуковой).

Методом макроанализа изучается макро-структура, т. е. структура, видимая невооружен-ным глазом или с помощью лупы, при этом вы-являются крупные дефекты: трещины, усадоч-ные раковины, газовые пузыри и т. д., а также неравномерность распределения примесей в ме-талле. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам. Макрошлиф -- это образец металла или сплава, одна из сторон ко-торого отшлифована, тщательно обезжирена, протравлена и рассматривается с помощью лупы с увеличением в 5--10^х.

Микроанализ выявляет структуру метал-ла или сплава по микрошлифам, приготовленным так же, как и для макроанализа, но дополни-тельно отполированным до зеркального блеска. Шлифы рассматривают в отраженном свете под оптическим микроскопом при увеличении до 3000^х. Из-за различной ориентировки зерен ме-талла они травятся не в одинаковой степени и под микроскопом свет также отражается неоди-наково. Границы зерен благодаря примесям тра-вятся сильнее, чем основной металл, и выявля-ются более рельефно. В сплаве структурные со-ставляющие травятся также различно. В элек-тронном микроскопе рассматривают реплику -- слепок с особо тонкой структуры блоков, фраг-ментов, дислокации при увеличениях до 100000^х. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составля-ющие, неметаллические включения и их харак-тер (трещины, пористость и т. д.), качество тер-мической, обработки. Зная микроструктуру, мож-но объяснить причины изменения свойств ме-талла.

С помощью рентгеновского анализа изучают атомную структуру металлов, типы и парамет-ры кристаллических решеток, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ, основанный на дифракции (отражении) рентгеновских лучей ря-дами атомов кристаллической решетки, позволя-ет обнаружить дефекты (пористость, трещины, газовые пузыри, шлаковые включения и т. д.), не разрушая металла. В местах дефектов рентгенов-ские лучи поглощаются меньше, чем в сплошном металле, и поэтому на фотопленке такие лучи образуют темные пятна, соответствующие форме дефекта.

Для исследования структуры металла и дефектов изделий широко применяют гамма-лучи, ко-торые проникают в изделие на большую глуби-ну, чем рентгеновские.

Магнитным методом исследуют дефекты в маг-нитных металлах (сталь, никель и др.) на глуби-не до 2 мм (трещины различного происхождения, неметаллические включения и т. д.). Для этого испытуемое изделие намагничивают, покрывают его поверхность порошком железа, осматривают поверхность и размагничивают изделие. Вокруг дефекта образуется неоднородное поле, вслед-ствие чего магнитный порошок повторяет очер-тания дефекта. Другой метод -- магнитный ин-дукционный -- часто используют для оценки полноты структурных превращений в сплавах (изделиях) после их термической обработки.

Ультразвуковым методом осуществляется эффективный контроль качества метал-ла изделий и заготовок практически любых раз-меров. В импульсных ультразвуковых дефектоскопах ультразвуковая волна от щупа - излуча-теля распространяется в контролируемом изде-лии и при встрече с каким-либо дефектом отра-жается от него. При этом отраженные волны принимаются, усиливаются и передаются на по-казывающий индикатор. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поко-вок, проката и других изделий при необходимос-ти сохранения целостности изделий.

3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Физические свойства. К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расшире-ние, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.

Цветом называют способность металлов от-ражать световое излучение с определенной дли-ной волны. Например, медь имеет розово-крас-ный цвет, алюминий -- серебристо-белый.

Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плот-ности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м³) и тяжелые. Плотность имеет боль-шое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стре-мятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.

Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416° С, тантал 2950°С, титан 1725°С. и др.) и легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Темпера-тура плавления имеет большое значение при вы-боре металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектриче-ских приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в граду-сах Кельвина (К).

Теплопроводностью называют, спо-собность металлов передавать тепло от более на-гретых к менее нагретым участкам тела. Сереб-ро. медь, алюминий обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для де-талей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образу-ются трещины. Некоторые детали машин (порш-ни двигателей, лопатки турбин) должны быть из-готовлены из материалов с хорошей тeплопpoводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/ (м*К).

Тепловым расширением называют спо-собность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаж-дении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения

б = (l₂ -l ₁)/ [l ₁ (t ₂ - t ₁)], где l ₁ и l ₂ длины тела при температурах t ₁ и t ₂. Коэффициент объемного расширения равен 3 б. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горя-чей объемной штамповке, изготовлении литей-ных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, ук-ладке железнодорожных рельс.

Теплоемкостью называют способность ме-талла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеет размер-ность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемко-сти -- количеству тепла, выраженному в боль-ших калориях, которое требуется для повыше-ния температуры 1 кг металла на 1°С (в едини-цах СИ -- Дж/(кг.К).

Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), удельная электро-проводность -- в См/м.

Электросо-противление выражают в омах (Ом), а удельное электросопротивление - в Ом/м.

Хорошая элек-тропроводность необходима, например, для токоведущих проводов (медь, алюминий). При изго-товлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротив-лением (нихром, константан, манганин). С по-вышением температуры металла его электропро-водность уменьшается, а с понижением -- увели-чивается.

Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или маг-нитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В единицах СИ магнитная по-стоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, ни-кель, кобальт и их сплавы, называемые ферро-магнитными. Материалы с магнитными свойства-ми применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов со-противляться окислению или вступать в соеди-нение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Хими-ческое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды на-зывают коррозией.

Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалино-стойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зо-не высоких температур.

Сопротивление металлов коррозии, окалине-образованию и растворению определяют по из-менению массы испытуемых образцов на едини-цу поверхности за единицу времени.

Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Способность металла сопротивляться воздейст-вию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свой-ства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подверга-ют воздействию внешних сил (нагрузок). Внеш-ние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение -- величина нагрузки, отне-сенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация - изме-нение формы и размеров твердого тела под вли-янием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, круче-ния, среза (рис. 8).

Рис. 8. Виды деформаций:

а -- сжатие, б -- растяжение, в -- кручение, г -- срез, д - изгиб

В действительности матери-ал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое рас-тяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения. По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значе-ния деформации, а по оси ординат -- нагрузки, приложенные к образцу.

Прочность -- способность материала со-противляться разрушению под действием нагру-зок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности мате-риала является также удельная прочность - от-ношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности у _в (временное со-противление) - это условное напряжение в Па (Н/м²). соответствующее наибольшей нагруз-ке, предшествующей разрушению образца: у _в = P max / F _о, где Рmах -- наибольшая нагрузка, Н; F_о - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м².

Истинное сопротивле-ние разрыву S _к - это напряжение, определяемое отношением нагрузки Р_к в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения об-разца после разрыва F _к (S _к = Р _к/ F _к).

Предел текучести (физический) у _т -- это наи-меньшее напряжение (в МПа), при котором об-разец деформируется без заметного увеличения нагрузки:

у _т = Р _т F _о, где Р _т -- нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н.

Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие спла-вы площадки текучести не имеют. Для таких ма-териалов определяют предел текучести (услов-ный), при котором остаточное удлинение достига-ет 0,2 % от расчетной длины образца: у _0,2 = P _0,2 / F ₀.

Упругость - способность материала вос-станавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Р _уп оце-нивают пределом пропорциональности у _пц и пре-делом упругости у _ун.

Предел пропорциональности у _пц - напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напря-жением и деформацией образца у _пц = Р _пц / Р ₀.

Предел упругости (условный) у _0,05 - это условное напряжение в Мпа, соответствую-щее нагрузке, при которой остаточная деформа-ция впервые достигает 0,05 %, от расчетной длины образца lo: у _0,05 = P _0,05 / F _0, где P _0,05 --- нагрузка предела упругости, Н.

Пластичность, т.е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, характери-зуется относительным удлинением и относитель-ным сужением.

Относительное удлинение (после разрыва) д -- это отношение приращения (l _k-- lo) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине lo, выраженное в процентах:

д = ((1к -1о)/1о] 100 %.

Относительное сужение (после разрыва) Ш -- это отношение разности начальной и минимальной площадей (Fo - Fк) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади Fo поперечного сечения, выраженное в про центах: Ш = [( F ₀ - F _k) / Fо] 100%.

Чем больше значения относительного удлине-ния и сужения для материала, тем он более пла-стичен. У хрупких материалов эти значения близ-ки к нулю. Хрупкость конструкционного матери-ала является отрицательным свойством.

Ударная вязкость, т. е. способность ма-териала сопротивляться динамическим нагруз-кам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м²) в месте надре-за KC=W/F.

Для испытания изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испы-тывают образец на маятниковых копрах. Свобод-но падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.

Определение ударной вязкости особенно важ-но для некоторых металлов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склон-ность к хладноломкости. Чем ниже порог хлад-ноломкости, т. е. температура, при которой вяз-кое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала. Хладноломкость-снижение ударной вязкости при низких темпе-ратурах.

Циклическая вязкость -- это способ-ность материалов поглощать энергию при пов-торно-переменных нагрузках. Материалы с высо-кой циклической вязкостью быстро гасят вибра-ции, которые часто являются причиной прежде-временного разрушения. Например, чугун, имею-щий высокую циклическую вязкость, в некото-рых случаях (для станин и других корпусных де-талей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.

Твердостью называют способность мате-риала сопротивляться проникновению в него дру-гого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструмен-ты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностно-упрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).

Рис. 10. Определение твердости металла методами Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)

Способ Бринелля осно-ван на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твер-дости и толщины испытываемого металла. Твер-дость по Бринеллю определяют на твердомере ТШ (твердомер шариковый). Испытание прово-дят следующим образом. На поверхности образ-ца, твердость которого нужно измерить, напильником или абразивным кругом зачищают пло-щадку размером 3--5 см². Образец ставят на столик прибора и поднимают до соприкоснове-ния со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавлива-ет шарик в испытываемый образец. На поверхно-сти металла образуется отпечаток. Чем больше отпечаток, тем металл мягче.

За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диа-метром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рис. 10,а).

Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр отпечатка с помощью оптиче-ской лупы (с делениями) и по полученному зна-чению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.

Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых ре-зультатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, на-пример закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.

Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла. В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный ша-рик диаметром 1,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная ве-личина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испыта-ние проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчиты-вают по циферблату индикатора, установленно-му на приборе. Во всех случаях предваритель-ная нагрузка Ро равна 100 H.

При испытании металлов с высокой твердо-стью применяют, алмазный конус и общую на-грузку P = Po + P ₁= 1500 H. Твердость отсчитыва-ют по шкале «С» и обозначают HRC.

Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 H, то твердость отсчиты-вается по шкале «В» и обозначается HRB.

При испытании очень твердых или тонких из-делий используют алмазный конус и общую на-грузку 600 Н. Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC 50 --- твердость 50 по шкале «С».

При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999--75) в качестве вдавливае-мого в материал наконечника используют четы-рехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют на-грузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения на-грузки для определения твердости тонких изде-лий и твердых, упрочненных поверхностных сло-ев металла). Числовое значение твердости опре-деляют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. При-мер обозначения твердости по Виккерсу -- HV 500.

Для оценки твердости металлов в малых объ-емах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости. Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмаз-ную четырехгранную пирамиду (с углом при вер-шине 136^о, таким же как и у пирамиды при испы-тании по Виккерсу). Нагрузка на индентор не-велика и составляет 0,05--5 Н, а размер отпечат-ка 5 -30 мкм. Испытание проводят на оптиче-ском микроскопе ПМТ-3, снабженном механиз-мом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.

Усталостью называют процесс постепен-ного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разруше-нию. Усталость металла обусловлена концентра-цией напряжений в отдельных его объемах, в ко-торых имеются неметаллические включения, га-зовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный из-лом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть 1 излома с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения по-верхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца.

Рис. 11. .Устатолостный излом

Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-перемен-ного изгибания вращающегося образца, закреп-ленного одним или обоими концами, а также ма-шины для испытаний на растяжение -- сжатие и на повторно-переменное кручение. В результа-те испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.

Выносливость -- свойство материала про-тивостоять усталости. Предел выносливости -- это максимальное напряжение, которое может выдержать металл без разрушения заданное чи-сло циклов нагружения. Между пределом вынос-ливости и пределом прочности существует при-ближенная зависимость:

у -₁ ? 0,43 у в; у -_1р ? 0,36 у в, где у -₁ и у -_1р -- соответственно пределы вынос-ливости при изгибе и растяжении -- сжатии.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

Технологические свойства. Эти свойства ха-рактеризуют способность металлов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях. Технологические свойства определяют при техноло-гических пробах, которые дают качественную оценку пригодности металлов к тем или иным способам обработки. Образец, подвергнутый технологической пробе (рис. 12), осматривают. Признаком того, что образец выдержал испытание, является отсутствие трещин, надрывов, расслоения или излома. К основным технологическими свойствам относят: обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства и др.

Рис. 12. Технологические пробы:

а - изгиб на определенный угол, б - изгиб до параллельности сторон, в - изгиб до соприкосновения сторон, г - на навивание, д - на сплю-щивание труб, е - на осадку

Обрабатываемость резанием - одна из важнейших технологических свойств, потому что подавляющее большинство заготовок, а так же деталей сварных узлов и конструкций подвергается механической обработке. Одни металлы обрабатываются хорошо до получения чистой и гладкой поверхности, другие же, имеющие высокую твердость, плохо. Очень вязкие металлы с низкой твердостью также плохо обрабатываются: поверхность получается шероховатой, с задира-ми. Улучшить обрабатываемость, например, ста-ли можно термической обработкой, понижая или повышая ее твердость.

Свариваемость -- способность металлов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла. Ее определяют пробой сваренного образца на загиб или растяжение.

Ковкость -- способность металла обрабатываться давлением в холодном или горячем состо-янии без признаков разрушения. Ее определяют кузнечной пробой на осадку до заданной степени деформации. Высота образца для осадки равна обычно двум его диаметрам. Если на боковой поверхности образца трещина не образуется, то и такой образец считается выдержавшим пробу; а испытуемый металл -- пригодным для обработки давлением.

Литейные свойства металлов характеризуют способность их образовывать отливки, без трещин, раковин и других дефектов. Основными литейными свойствами являются, жидкотекучесть, усадка и ликвация.

Жидкотекучесть -- способность расплавленного металла хорошо заполнять полость ли-тейной формы.

Усадка при кристаллизации -- это умень-шение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое; является, причиной образо-вания усадочных раковин и усадочной пористо-сти (см. рис. 6) в слитках и отливках.

Ликвация - неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристалли-зации, обусловлена тем, что сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются не при од-ной температуре, а в интервале температур. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем сильнее развивается ликвация, при-чем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину температурного интервала кристаллизации (для стали, например, сера, кис-лород, фосфор, углерод).

Эксплуатационные свойства. Эти свойства оп-ределяют в зависимости от условий работы ма-шины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость.

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление износу,

т. е. постепен-ному изменению размеров и формы тела вслед-ствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей -- в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа об-разцов или деталей определяют различными спо-собами: измерением размеров, взвешиванием образцов и другими методами.

К эксплуатационным свойствам следует также отнести хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность и др.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о кристаллизации металлов.

2. Как формируется металлический слиток в излож-нице?

3. Что такое аллотропия металлов?

4. Какими методами изучают строение металлов?

5. Как определяют прочность металлов?

6. Что такое твердость и какими способами ее опреде-ляют?

7. Перечислите технологические свойства металлов.