Евгений Банников - Сварка Страница 17

Сплавы делятся по следующим признакам:

• черные сплавы на основе железа – это стали и чугуны;

• легкие цветные сплавы с малой плотностью на основе алюминия, магния, титана, бериллия;

• тяжелые цветные сплавы с высокой плотностью на основе меди, свинца, олова и др.;

• легкоплавкие цветные сплавы на основе цинка, кадмия, олова, и др.;

• тугоплавкие цветные сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и пр.

Кристаллическое строение металлов

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки. Расстояние между атомами называют параметрами кристаллической решетки и измеряют в нанометрах. Типы кристаллических решеток изображены на рисунке 37.

Свойства металлов таковы, что при повышении температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии при различных температурах изменяют строение своих кристаллических решеток, что всегда приводит к изменению физико-химических свойств металлов.

Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название аллотропии, или полиморфизма. Температура при этих фазовых превращениях называется критической, а перестройка кристаллических форм – полиморфными превращениями.

Основоположником изучения термических превращений в сталях (сплавах «железо-углерод») был русский ученый Д. К. Чернов. Им было открыто, что при нагреве твердой стали до определенных температур, зависящих от ее состава, в ней происходят внутренние превращения, приводящие к изменению свойств. Открытие Д. К. Чернова, получившее всемирное признание в 1868 году, показало связь между составом, строением и свойствами стали. Работы Чернова легли в основу учения о термообработке стали. Им были открыты дендритные кристаллы, критические точки термических превращений и теория литья стали и сплавов, изучены процессы кристаллизации слитков металла.

Рис. 37.

Кристаллические решетки металлов:

1 – объемно-центрированного куба (ОЦК); 2 – гранецентрированного куба (ГЦК);

3 – гексагональная плотно упакованная решетка (ГПР)

Кристаллическое строение и кристаллизация сплавов

Строение сплавов более сложное, чем строение чистого металла, и зависит от взаимодействия компонентов при кристаллизации.

Компоненты сплава при кристаллизации могут образовывать:

• твердые растворы, когда элементы сплава взаимно растворяются один в другом;

• механическую смесь – при полной взаимной нерастворимости, когда сплав состоит из смеси кристаллов составляющих ее компонентов;

• химическое соединение, при котором компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, образуя новую кристаллическую решетку.

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется первичной кристаллизацией. Свойства металлических сплавов зависят от образующейся в процессе кристаллизации структуры. Под структурой понимают наблюдаемое кристаллическое строение сплава. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей – центров кристаллизации.

Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов в прямой зависимости, т. е. чем выше скорость роста кристаллов и больше число образующихся зародышей, тем быстрее протекает процесс кристаллизации сплава. Внутренняя структура сплава зависит от формы ориентировки кристаллических решеток в пространстве и скорости кристаллизации.

Центрами кристаллизации могут быть группы элементарных кристаллических решеток, неметаллические включения, тугоплавкие примеси. Процесс кристаллизации обычно начинается в направлении, противоположном отводу тепла.

Если процесс роста кристаллов не ограничивается, то образуются кристаллы неограниченной длины, в форме дерева или елочек-дендриты (рис. 38).

Рис. 38.

Схема строения поликристалла (а), и дендритный кристалл (б)

Так как процесс кристаллизации происходит в различных направлениях из многих центров кристаллизации, то ветви дендритов обычно искажаются, ограничивая при этом рост других кристаллов. Кристаллы неправильной формы называются зернами, или кристаллитами. В месте соприкосновения кристаллов рост их граней прекращается, и развиваются только отдельные грани. Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов влияют на величину зерна и, следовательно, на свойства металлов. При этом особую роль играет скорость охлаждения и переохлаждения расплавленного металла.

Зерна отличаются размером и ориентацией в кристалле. Они обычно повернуты относительно друг друга на десятки градусов. На границах зерен находится поврежденный переходный слой, порядка нескольких атомных слоев. Свойства и химический состав этого слоя могут сильно отличаться от свойств и состава зерен основного металла или сплава.

Кристаллические решетки могут иметь структурные дефекты: точечные, линейные, поверхностные, возникающие в результате вакансий (перемещения на свободные места) атомов.

При наличии таких дефектов зерно (кристаллит) разделяется на блоки в виде микромозаичной структуры (рис. 38).

При переходе сплава из жидкого состояния в твердое происходит усадка, т. е. уменьшение удельного объема зерен кристаллов. В результате усадки между зернами кристаллов в местах соприкосновения растущих дендритов в междуосных пространствах возникают микропустоты. Пустоты могут заполняться неметаллическими включениями (фосфидами, сульфидами и т. п.) или оставаться в виде раковин, микротрещин, пустот. Такие включения становятся центрами развития трещин, надрывов при приложении нагрузки или нагреве.

Характеристика свойств металлов и сплавов

В настоящее время известно 65 металлов. Но чистые металлы применяют редко, в основном в технике применяются сплавы. Например, сплав железа с углеродом насчитывает более 12 000 железных сплавов, главным образом сталей.

Все металлы и сплавы обладают свойствами, которые разделяют на:

• механические свойства;

• физические свойства;

• химические свойства;

• технологические свойства;

• эксплуатационные свойства.

Механические свойства металлов и сплавов

Основные механические свойства:

• прочность;

• пластичность;

• твердость;

• ударная вязкость.

Приложение внешней нагрузки вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение – это нагрузка (сила), отнесенная к площади сечения материала.

Деформация – это изменение форм и размеров при приложении внешних сил.

Деформация может быть упругой, т. е. исчезающей после снятия нагрузки, или пластической, т. е. остающейся после снятия нагрузки.

Прочность – способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению при воздействии внешних сил статического или динамического характера. Прочность определяют с помощью специальных механических испытаний образцов, изготовленных из исследуемого материала.

Пластичность – способность материала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения. Пластичность характеризуется относительным удлинением при разрыве.

Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела. Твердость тесно связана с прочностью.

Ударную вязкость оценивают при динамических испытаниях.

Физические свойства металлов и сплавов

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся:

• температура плавления;

• плотность;

• температурный коэффициент;

• электросопротивление;

• теплопроводность.

Физические свойства металлов и сплавов обусловлены их составом и структурой.

Химические свойства металлов и сплавов