Каковы характерные свойства металлов и чем они определяются
Характерные свойства металлов. чем они обусловлены.
Конструкционные материалы и требования ним
Конструкционные материалы — материалы, из которых изготовляются различные конструкции, детали машин, элементы сооружений, воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами таких материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др. К основным критериям качества К. м. относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др
Классификация конструкционных материалов.
Неметаллические материалы: а)пластмассы, б) керамические, в)керамико-металлические, г) стекло, д) резина, ж) дерево.
В чем различие кристаллических и аморфных материалов
Характерные свойства металлов. чем они обусловлены.
· Возможность лёгкой механической обработки
· Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
· Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
· В реакциях чаще всего являются восстановителями
Свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.
5. Кристаллическое строение металлов. Что такое: а) поликристалл, б) кристаллическая решетка, в) элементарная кристаллическая решетка.
6. Почему атомы в кристаллической решетке расположены на строго определенном расстоянии?
7. Какие типы кристаллических решеток у металлов? их параметры
· Гексогональная плотноупакованная (гпу)- 6-граная призма. а=в ≠ с. α=β=90. γ=120
8. Что такое координационное число? Коэффициент компактности
координационное число — характеристика, которая определяет число ближайших равноудаленных одинаковых частиц (ионов или атомов) в кристаллической решётке. Прямые линии, соединяющие центры ближайших атомов или ионов в кристалле, образуют координационный многогранник, в центре которого находится данный атом.
Дата добавления: 2014-12-18 ; просмотров: 33 | Нарушение авторских прав
Какая температура разделяет районы холодной и горячей пластической деформации и почему? Рассмотрите на примере железа.
Каковы характерные свойства металлов и чем они определяются?
Характерные свойства металлов обусловлены их строением. При комнатной температуре все металлы, кроме ртути, представляют собой твердые тела, имеющие кристаллическое строение. Для кристаллов характерно строго определенное расположение в пространстве ионов, образующих кристаллическую решетку.
К характерным свойствам металлов относят:
· металлический блеск – хорошая отражательная способность;
· хорошая электропроводность – хорошая способность проводить электрический ток. Это свойство обусловлено тем, что металл представляет собой вещество, состоящее из положительного ядра, вокруг которого по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла;
· пластичность – свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил, т.е. металлы легко поддаются механической обработке;
· высокая плотность – величина, равная отношению массы к занимаемому объему. Большинство металлов имеют плотность большую, чем неметаллы;
· высокая температура плавления – температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое (исключения – ртуть, щелочные металлы);
· большая теплопроводность – способность передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Высокая теплопроводность объясняется тем, что тепловую энергию в металлах переносят свободные электроны, находящиеся в постоянном движении. Свободные электроны сталкиваются с колеблющимися ионами и обмениваются с ними энергией. Колебания ионов, усиливающиеся при нагревании, передаются электронами соседним ионам, при этом температура быстро выравнивается по всей массе металла.
Какая температура разделяет районы холодной и горячей пластической деформации и почему? Рассмотрите на примере железа.
Обработка металлов давлением основана на пластичности металлов и сплавов. Пластичность металлов и сплавов определяется условиями деформации: один и тот же металл или сплав может в одних условиях иметь большую пластичность, допускающую большие деформации, в других – разрушаться при небольших остаточных изменениях формы. Пластичность металлов и сплавов зависит от химического состава и фазового состояния, структуры, а также от условий – температуры, скорости, степени деформации.
В зависимости от отношения температуры деформации к температуре рекристаллизации различают холодную и горячую деформацию.
Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.
Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры.
Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.
Наименьшую температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации.
А.А. Бочвар получил формулу для определения температурного порога рекристаллизации Тпр для технически чистых металлов:
где Тпл – температура плавления, К.
Температура начала рекристаллизации железа:
273 – перевод °С в К (Кельвины).
При пластической деформации выше этой температуры деформация называется горячей, при пластической деформации ниже этой температуры – холодной.
3. Вычертите диаграмму железо – углерод. Укажите фазовые превращения протекающие в сталях и чугунах, дайте определения фазовых составляющих. Постройте кривую охлаждения для сплава содержащего 4,0 % углерода. Рассчитайте вариантность системы в различных областях диаграммы (не менее 2-х). Какова структура этого сплава и как такой сплав называется?
· жидкая фаза представляет собой неориентированный раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус;
· ферритом называется твердый раствор углерода в α-железе. Имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006% при комнатной температуре, максимальную – 0,02 % при температуре 727°С. Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 1392°С существует высокотемпературный феррит (δ), с предельной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499°С. Свойства феррита близки к свойствам железа;
· цементит – химическое соединение железа с углеродом, соответствующее формуле Fe3C с концентрацией углерода 6,67%. Цементит, как фаза, может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся из жидкой фазы, называется первичным (ЦI), из аустенита – вторичным (ЦII), а из феррита – третичным (ЦIII).
При охлаждении сплава с концентрацией углерода 4,3 % с 1600°С до точки 1 существует только жидкий раствор. В точке 1 начинается кристаллизация аустенита из жидкого раствора. В точке 2 кристаллизация заканчивается. При температуре 1147°С, соответствующей точке 2, жидкая часть сплава превращается в ледебурит (механическая смесь, состоящая из аустенита и цементита). Происходит эвтектическое превращение. Ниже точки 2 из аустенита выделяется вторичный цементит. Состав сплава – аустенит, цементит вторичный, ледебурит. В точке 3 (температура 727°С) происходит эвтектоидное превращение, в результате которого аустенит превращается в перлит. Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре. При дальнейшем охлаждении от точки 3 до комнатной температуры сплав представлен перлитом, вторичным цементитом, ледебуритом.
Сплав, содержащий 4,0% углерода, называется доэвтектическим чугуном, поскольку содержит больше 2,14% и меньше 4,3% углерода.
Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количества фаз и компонентов:
где С – число степеней свободы (вариантность), т.е. число внешних и внутренних факторов, которое может изменяться без изменения числа фаз в системе;
К – количество компонентов (веществ, образующих систему);
П – число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), воздействующих на систему;
Так как рассматриваем влияние температуры (нагрев системы) на однокомпонентную систему, то правило фаз можно записать следующим образом:
Число степеней свободы (согласно правилу фаз Гиббса) для заданного сплава в различных температурных интервалах:
С(выше 1) = 2+1-1 = 2 (фазы: жидкость)
С(1-2) = 2+1-2 = 1 (фазы: жидкость, аустенит)
С(по линии, соответствующей точке 2) = 2+1-3 = 0 (фазы: жидкость, аустенит, цементит)
С(2-3) = 2+1-2 = 1 (фазы: аустенит, цементит)
C(по линии, соответствующей точке 3) = 2+1-3 = 1 (фазы: аустенит, цементит, перлит)
С(ниже 3) = 2+1-2 = 1 (фазы: перлит, цементит)
4. После закалки углеродистой стали была получена структура мартенсит + цементит. Нанесите на диаграмму железо-углерод ординату (примерно) обрабатываемой стали, укажите температуру ее нагрева под закалку. Опишите превращения, которые произошли при нагреве и охлаждении стали.
Структура мартенсит + цементит соответствует закаленной заэвтектоидной углеродистой стали. Заэвтектоидной называют сталь, содержащую от 0,8 до 2,14% углерода.
 |
| Рисунок 1. Температура закалки стали У10 |
Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит. При температурах, соответствующих линии ES, аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при понижении температуры из него выделяется вторичный цементит. Поэтому при температуре ниже линии ES сплавы становятся двухфазными (аустенит + вторичный цементит). В результате закалки (при быстром охлаждении) из аустенита образуется неустойчивая структура мартенсит. Образование мартенсита в стали может произойти только в том случае, если аустенит быстро охлажден до низких температур, когда диффузионные процессы становятся невозможными, т.е. становится невозможным самопроизвольное перераспределение атомов углерода и железа в решетке аустенита. Он появляется в переохлажденном аустените при 230°С.
Закалкой называется нагрев стали до температур выше фазовых превращений, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью больше критической.
Таким образом, закалка стали У10 заключается в ее нагреве до температуры 760…780°С (рисунок 1), выдержке и охлаждении в воде. Охлаждение в воде обеспечивает скорость охлаждения выше критической. В результате закалки получаем структуру мартенсит. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.
Контрольная работа 1 Вариант 21
Каковы характерные свойства металлов и чем они определяются?
Свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.
Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств:
– высокими теплопроводностью и электрической проводимостью;
– положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления; с повышением температуры электрическое сопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладают сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление падает скачкообразно, практически до нуля);
– термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;
– хорошей отражательной способностью: металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском;
– повышенной способностью к пластической деформации.
Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».
Как устанавливается температура порога рекристаллизации металла и сплава? Приведите несколько конкретных примеров.
Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.
Наименьшую температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации. Эта температура не является постоянной физической величиной. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д.
Температура начала рекристаллизации металлов, подвергнутых значительной деформации, для технически чистых металлов составляет примерно 0,4 Тпл (правило А.А. Бочвара), для чистых металлов снижается до (0,1. 0,2)Тпл, а для сплавов твердых растворов возрастает до (0,5. 0,6)Тпл.
Т. е. с повышением чистоты металла температурный порог рекристаллизации снижается: 
Сильно влияет на температуру начала рекристаллизации степень деформации при обработке давлением. С увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации снижается. Объясняется это тем, что с увеличением степени деформации растут плотность дислокаций и энергия, накопленная при деформации, т. е. возрастает термодинамический стимул рекристаллизации. 
Т. к. плотность дислокаций и соответственно накопленная при деформации энергия с увеличением степени деформации растут с затуханием, то и температура начала рекристаллизации снижается при увеличении степени деформации с затуханием, достигая определенного предела при данном времени отжига.
Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную (выходную) термическую обработку (для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств).
Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,3% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).
При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.
При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.
Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит.
Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.
Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.
Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.
В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].
Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.
Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.
Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.
В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).
Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
C = K + 1 – Ф,
где С – число степеней свободы системы;
К – число компонентов, образующих систему;
1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);
Ф – число фаз, находящихся в равновесии.
Сплав железа с углеродом, содержащий 0,3 %С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – перлит + ферррит. 
а) б)
Рисунок 1: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,3% углерода
Изделия из стали 45 требуется подвергнуть улучшению. Назначьте режим термической обработки, опишите сущность происходящих превращений, структуру и свойства стали после обработки.
Улучшение заключается в закалке и высоком отпуске стали.
Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура точки Ас3 для стали 45 составляет 755°С, а Ас1 равна 730°С. Структура доэвтектоидной стали при нагреве её до критической точки Ас1 состоит из зерен перлита и феррита. В точке Ас1 происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ас1 до Ас3 избыточный феррит растворяется в аустените и при достижении Ас3 (линия GS) превращения заканчиваются.
Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 800-820°С. Структура стали 45 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.
Высокий отпуск проводится при температуре 580-600˚С. В результате получаем структуру – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости.
Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Высокие отпуск почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке.
Свойства стали 45 после улучшения: σВ = 870 МПа; σт= 700 МПа; δ= 13%; ψ = 65%; KCU = 1,3 МДж/м2; НВ = 255.
Основные свойства металлов и сплавов
Типы кристаллических решеток
Все металлы в твердом состоянии представляют собой кристаллы. Кристалл – это совокупность атомов, расположенных в пространстве не хаотично, а в геометрически правильной последовательности. Пространственное расположение атомов и образует кристаллическую решетку.
В узлах пространственной кристаллической решетки металла правильно расположены положительно заряженные ионы, а между ними перемещаются свободные электроны – электронный газ. Переходя от одного катиона к другому, они осуществляют связь между ионами и превращают кристалл металла в единое целое. Эта связь, называемая металлической, возникает между атомами металлов за счет перекрывания электронных облаков внешних электронов. Металлическая связь отличается от неполярной ковалентной связи своей ненаправленностью. В кристалле металлического типа электроны не закреплены между двумя атомами, а принадлежат всем атомам данного кристалла, т. е. делокализованы. К особенности структуры металлических кристаллов относятся большие координационные числа – 8÷12, которым соответствует высокая плотность упаковки.
Кристаллическая решетка каждого металла состоит из положительно заряженных ионов одинакового размера, расположенных в кристалле по принципу наиболее плотной упаковки шаров одинакового диаметра.
Различают три основных типа упаковки, или кристаллической решетки.
1. Объемноцентрированная кубическая решетка с координационным числом, равным 8 (натрий, калий, барий). Атомы металла расположены в вершинах куба, а один – в центре объема. Плотность упаковки шарообразными ионами в этом случае составляет 68 %.
2. Гранецентрированная кубическая решетка с координационным числом, равным 12 (алюминий, медь, серебро). Атомы металла расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Плотность упаковки – 74 %.
3. Гексагональная решетка с координационным числом 12 (магний, цинк, кадмий). Атомы металла расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а еще три – в ее средней плоскости. Плотность упаковки – 74 %.
Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кристалла наблюдаются разные свойства. Это явление, получившее название анизотропия, характерно для одиночных кристаллов – монокристаллов. Однако большинство металлов в обычных условиях имеют поликристаллическое строение, т. е. состоят из значительного числа кристаллов, или зерен, каждое из которых анизотропно. Разная ориентировка отдельных зерен приводит к усреднению свойств поликристаллического металла.
Особенности кристаллических решеток обусловливают характерные физические свойства металлов.
Свойства сплавов
Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:
Технологические свойства стали
Сталь считается одним из самых распространенных металлов, ее технологические свойства зависят от химического состава, различные примеси, входящие в нее, могут улучшить или ухудшить данные характеристики.
К негативным примесям, существенно влияющим на технологические характеристики, можно отнести серу и фосфор. Излишек данных веществ может привести к красноломкости и хладноломкости соответственно. То есть сталь с избытком серы становится хрупкой при нагреве, а если в ней присутствует большое количество фосфора, то она будет ломаться при отрицательных температурах. Именно поэтому при выплавке стали многие усилия направлены на снижение данных примесей в металле, но, к сожалению, избавиться от них полностью не выходит.
Как видите, химические составляющие стали оказывают огромное значение на ее технологические свойства, поэтому при выборе метода обработки должен выполняться тщательный анализ состава сплава, в противном случае могут возникнуть проблемы, как в производстве, так и при эксплуатации изделия.
Основные определения
Нужно четко понимать, что сплавы металлов в большинстве случаев образуются вообще без участи человека. Дело в том, что получить абсолютно чистый с химической точки зрения материал можно только в лаборатории. В любом металле, который используется в бытовых условиях, наверняка есть следы другого элемента. Классический пример – золотые украшения. В каждом из них есть определенная доля меди. Впрочем, в классическом смысле под этим определением все равно понимают соединение двух и более металлов, которое было целенаправленно получено человеком.
Вся история человека является отличным примером того, как сплавы металлов оказались способны оказать огромное влияние на развитие всей нашей цивилизации. Не случайно есть даже длительный исторический период, который называется «Бронзовый век».
Алюминиевые сплавы
Если первая половина XX века была веком стали, то вторая по праву назвалась веком алюминия.
Алюминиевые сплавы подразделяют на:
Основные преимущества соединений алюминия:
Основным недостатком сплавных материалов является низкая термостойкость. При достижении 175°С происходит резкое ухудшение механических свойств.
Еще одна сфера применения — производство вооружений. Вещества на основе алюминия не искрят при сильном трении и соударениях. Их применяют для выпуска облегченной брони для колесной и летающей военной техники.
Весьма широко применяются алюминиевые сплавные материалы в электротехнике и электронике. Высокая проводимость и очень низкие показатели намагничиваемости делают их идеальными для производства корпусов различных радиотехнических устройств и средств связи, компьютеров и смартфонов.
Слитки из алюминиевых сплавов
Присутствие даже небольшой доли железа существенно повышает прочность материала, но также снижает его коррозионную устойчивость и пластичность. Компромисс по содержанию железа находят в зависимости от требований к материалу. Отрицательное влияние железа скомпенсируют добавлением в состав лигатуры таких металлов, как кобальт, марганец или хром.
Конкурентом алюминиевым сплавам выступают материалы на основе магния, но ввиду более высокой цены их применяют лишь в наиболее ответственных изделиях.
Методы изучения строения металлов
Изучение строения металлов и сплавов производится методами макро— и микроанализа, рентгеновским методом, а также методами дефектоскопии (рентгеновской, магнитной, ультразвуковой).
Методом макроанализа изучается макроструктура, т.е. структура, видимая невооруженным глазом или с помощью лупы. При этом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри и иное, а также неравномерность распределения примесей в металле. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам (это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, тщательно обезжирена, протравлена и рассматривается с помощью лупы с увеличением в 5–10 раз).
Микроанализ выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, дополнительно отполированным до зеркального блеска. Шлифы рассматривают в отраженном свете под оптическим микроскопом при увеличении до 3000 раз. Из-за различной ориентировки зерен металла они травятся не в одинаковой степени, и под микроскопом свет также отражается неодинаково. Границы зерен благодаря примесям травятся сильнее, чем основной металл, и выявляются более рельефно. Зная микроструктуру, можно объяснить причины изменения свойств металла.
С помощью рентгеновского анализа изучают атомную структуру металлов, типы и параметры кристаллических решеток, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ, основанный на дифракции (отражении) рентгеновских лучей рядами атомов кристаллической решетки, позволяет обнаружить дефекты, не разрушая металла. Вместах дефектов рентгеновские лучи поглощаются меньше, чем в сплошном металле, и поэтому на фотопленке такие лучи образуют темные пятна, соответствующие форме дефекта.
Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (сталь, никель и др.) на глубине до 2 мм. Для этого испытываемое изделие намагничивают, покрывают его поверхность порошком железа, осматривают поверхность и размагничивают изделие. Вокруг дефекта образуется неоднородное поле, и магнитный порошок повторяет очертания дефекта. Ультразвуковым методом осуществляется эффективный контроль качества металла изделий и заготовок практически любых размеров. В импульсных ультразвуковых дефектоскопах ультразвуковая волна от щупа-излучателя распространяется в контролируемом изделии и при встрече с дефектом отражается от него. При этом отраженные волны принимаются, усиливаются и передаются на показывающий индикатор.
Классификация металлов
В природе существует несколько видов металлов, которые отличаются по своим свойствам, характеристикам и внешнему виду. Каждая из разновидностей по-разному ведёт себя при взаимодействии с другими материалами или под воздействием факторов окружающей среды.
Виды металлов
Черные
В эту группу входит железо и сплавы на его основе. Характерные особенности чёрных металлов:
К представителям группы чёрных металлов относятся: вольфрам, хром, кобальт, молибден, железо, никель, титан, марганец, уран, нептуний, плутоний и другие. Используются они в различных отраслях и обладают разными свойствами. Популярными считаются сталь и чугун.
В состав черных металлов входит не только железо, но и различные примеси к которым относится сера, фосфор или кремний. В своём составе они содержат разное количество углерода.
Цветные
Представители этой группы более востребованы. Связано это с тем, что цветные металлы применяют в большем количестве отраслей. Их могут использовать в машиностроении, передовых технологиях, радиоэлектронике, металлургии. Ключевые особенности цветных металлов:
Из-за низкой прочности представителей цветной группы их используют в связке с разными видами более плотных материалов. Представители этой группы: магний, алюминий, никель, свинец, олово, цинк, серебро, платина, родий, золото и другие.
Мягкие
Можно выделить отдельные виды металлов, которые будут относиться к группе твёрдых и мягких. В качестве мягких выступают:
Это ключевые представители группы мягких металлов.
Твердые
Популярными материалами этой группы являются:
Представители «твёрдой группы» хуже поддаются обработке и используются в меньшем количестве направлений деятельности человека, чем мягкие.
Свойства сплавов
Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры. Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.
Сплавы, используемые в промышленности
Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.
Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):
Для заливки подшипников:
Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:
Для изготовления режущих инструментов:
В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.
Мета?ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.
Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:
— 6 элементов в группе щелочных металлов,
— 6 в группе щёлочноземельных металлов,
— 38 в группе переходных металлов,
— 11 в группе лёгких металлов,
— 7 в группе полуметаллов,
— 14 в группе лантаноиды + лантан,
— 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний, вне определённых групп бериллий и магний.
Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.
В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия.
Какие виды встречаются?
Свойства металлов во многом зависят от того, к какому виду тот или иной ингредиент относится. В этом ракурсе стоит выделить черные и цветные компоненты.
Чермет
Данная группа считается самой распространенной и востребованной в объемном ракурсе. Свое название они получили благодаря своему цвету – темному. При этом отличительной особенностью черных руд считается низкая стоимость.
В свою очередь, классифицируется на:
Цветмет
Принято считать, что эта группа элементов отличается меньшими прочностными характеристиками, температурой плавления, устойчивостью к механическим нагрузкам, но более солидной стоимостью. Понятно, что по всем этим позициям встречаются исключения.
Цветные ранжируют на следующие категории:
Также поделить «цветные» разновидности можно на тугоплавкие и легкоплавкие.
Строение механического слитка
Форма растущих кристаллов определяется:
Механизм образования кристаллов носит дендритный (древовидный) характер. Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет в тех плоскостях и направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла — оси первого порядка. От осей первого порядка начинают расти новые оси — второго порядка, от осей второго порядка — оси третьего порядка и т.д.
Стальные слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах) или на установках непрерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердеть одновременно во всем объеме, так как невозможно создать равномерную скорость отвода тепла. Поэтому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы и распространяется внутрь жидкого металла. При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы в начальный момент образуется зона мелких равноосных кристаллов. Поскольку объем твердого металла меньше жидкого, между стенкой изложницы и застывшим металлом образуется воздушная прослойка и сама стенка нагревается от соприкосновения с металлом, поэтому скорость охлаждения металла снижается, и кристаллы растут в направлении отвода теплоты. При этом образуется зона, состоящая из древовидных (столбчатых) кристаллов.
Во внутренней зоне слитка в результате замедленного охлаждения образуются равноосные, неориентированные кристаллы больших размеров. В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина, так как при охлаждении объем металла уменьшается. Под усадочной раковиной металл 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.
Основные виды сплавов
Самые многочисленные виды сплавов металлов изготавливаются на основе железа. Это стали, чугуны и ферриты.
Вещества с большим содержанием углерода, имеющие выраженные магнитные свойства, называют ферритами. Они используются при производстве трансформаторов и катушек индуктивности.
Сплавы металлов на основе меди, содержащие от 5 до 45% цинка, принято называть латунями. Латунь мало подвержена коррозии и широко применяется как конструкционный материал в машиностроении.
Если вместо цинка к меди добавить олово, то получится бронза. Это, пожалуй, первый сплав, сознательно полученный нашими предками несколько тысячелетий назад. Бронза намного прочнее и олова, и меди и уступает по прочности только хорошо выкованной стали.
Вещества на основе свинца широко применяются для пайки проводов и труб, а также в электрохимических изделиях, прежде всего, батарейках и аккумуляторах.
Двухкомпонентные материалы на основе алюминия, в состав которых вводят кремний, магний или медь, отличаются малым удельным весом и высокой обрабатываемостью. Они используются в двигателестроении, аэрокосмической промышленности и производстве электрокомпонентов и бытовой техники.
Физические свойства металлов
Среди основных общих физических свойств металлов можно выделить:
Важным физическим параметром металла является его плотность или удельный вес. Что это такое? Плотность металла – это количество вещества, которое содержится в единице объема материала. Чем меньше плотность, тем металл более легкий. Легкими металлами являются: алюминий, магний, титан, олово. К тяжелым относятся такие металлы как хром, марганец, железо, кобальт, олово, вольфрам и т. д. (в целом их имеется более 40 видов).
Способность металла переходить из твердого состояния в жидкое, именуется плавлением. Разные металлы имеют разные температуры плавления.
Скорость, с которой в металле проводится тепло при нагревании, называется теплопроводностью металла. И по сравнению с другими материалами все металлы отличаются высокой теплопроводностью, говоря по-простому, они быстро нагреваются.
Помимо теплопроводности все металлы проводят электрический ток, правда, некоторые делают это лучше, а некоторые хуже (это зависит от строения кристаллической решетки того или иного металла). Способность металла проводить электрический ток называется электропроводностью. Металлы, обладающие отличной электропроводностью, это золото, алюминий и железо, именно поэтому их часто используют в электротехнической промышленности и приборостроении.
Теория сплавов
Металлическим сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами, обладающий металлическими свойствами. Вещества, которые образуют сплав называются компонентами.
Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму размер и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах. Структурными составляющими называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.
Виды сплавов по структуре. По характеру взаимодействия компонентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, химические соединения и твердые растворы.
Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристаллическую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состоящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения компонентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам свойства смеси.
При образовании твердого раствора атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Твердые растворы замещения образуются в результате частичного замещения атомов кристаллической решетки одного компонента атомами второго (рис. 6, б).
Основные механические свойства металлов и сплавов
Свойство материалов принимать первоначальную форму после прекращения действия внешних сил называется упругостью, а деформация, исчезающая после снятия нагрузки, получила название упругой. Если к детали прикладывать все возрастающую нагрузку, то при достижении ею определенных значений и после прекращении ее действия деталь не примет своей первоначальной формы, а останется деформированной. Такая деформация называется пластической. Способность материала деформироваться под действием внешних нагрузок не разрушаясь и сохранять измененную форму после прекращения действия нагрузок называется пластичностью.
Материалы, не способные к пластическим деформациям, называются хрупкими. Такие материалы при избыточной нагрузке или под действием удара разрушаются внезапно. К хрупким материалам относятся (стекло, камень, чугун, закаленная сталь и др).
Важным свойством материалов, наряду с упругостью и пластичностью, является прочность. Она характеризуется максимальной нагрузкой, которую выдерживает материал детали не разрушаясь.
Детали машин в зависимости от условий работы должны обладать определенными механическими свойствами (прочностью, упругостью и пластичностью).
Прочность, упругость и пластичность металлов определяют при испытании образцов круглой или плоской формы на растяжение. Основными параметрами являются размер диаметра d и расчетная, контролируемая, длина l образца (рис. 1).
Рис. 1. Круглый образец до (а) и после (б) испытаний
Испытания выполняют на разрывных машинах.
Для получения сравнимых результатов введено понятие нормальное напряжение. Нормальным напряжением называют нагрузку, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца. Нормальное напряжение обозначается греческой буквой σ (сигма).
Для нагрузки Р в ньютонах (Н) и площади поперечного сечения F в мм2, σ = Р/ F Па (паскаль).
Отношением наибольшей нагрузки, которую выдержал образец до разрыва, к первоначальной площади его поперечного сечения определяется величина предела прочности. Пределом прочности называется напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдержал образец во время испытания, которое обозначается σв и выражается в Па.
Важная характеристика материалов — удельная прочность, которая определяется отношением предела прочности к удельному весу металла. Эта характеристика имеет большое значение при выборе материала, когда необходимо уменьшить массу машины.
Показатели пластичности, характеризующие способность металла деформироваться не разрушаясь, называют относительное удлинение и относительное сужение. Для получения этих показателей обе половины разорванного образца плотно прижимают друг к другу и измеряют длину рабочей части ( lк), а также диаметр образца в том месте, где произошел paзрыв (dк). Относительное удлинение обозначается греческой буквой δ и измеряется в процентах. Его определяют формуле:
где l – первоначальная расчетная длина; lк – расчетная длина после испытания.
Относительное сужение поперечного сечения образца Ψ, также измеряемое в процентах, находят по формуле:
где F — площадь поперечного сечения образца до испытания; Fk — площадь сечения образца в месте разрыва (в шейке).
Пределом текучести называется наименьшее растягивающее напряжение, при котором деформация продолжает расти без изменения нагрузки, которое обозначается σт и выражается в Па.
Чем больше относительное удлинение и относительное сужение поперечного сечения образца, тем более пластичен металл. Так, например, техническое железо при растяжении до разрыва удлиняется в 1,5 раза, у серого чугуна относительное удлинение и относительное сужение близки к нулю. Для изготовления большинства деталей машин и конструкций используют относительно пластичные материалы, так как они не подвержены опасности внезапного разрушения.
При длительной эксплуатации детали машин подвергаются повторно-переменным нагрузкам (растяжение-сжатие). При напряжениях, меньших предела текучести или предела упругости, они могут внезапно разрушиться. Это явление называется усталостью металлов.
Способность металлов работать в условиях многократных повторноили знакопеременных нагрузок, определяют их предел выносливости (или усталости). Пределом выносливости (усталости) называют максимальное напряжение, которое выдерживает материал, не разрушаясь, при достаточно большом числе повторно-переменных нагружений (циклов).
Для стальных образцов эту характеристику устанавливают при 10 млн. циклов, для цветных металлов — при 100 млн. циклов. Предел выносливости обозначают греческой буквой σ-1 и измеряют в Па.