ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

СТРОЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И СПОСОБЫ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Основные виды металлов

Металлы — материалы, обладающие высокой тепло- и электропроводностью, ковкостью, металлическим блеском, непрозрачностью и другими свойствами. Металлы и сплавы на их основе характеризуются комплексом механических, физических, химических и технологических свойств, обеспечивающих широкое применение в различных отраслях техники, промышленности, жилищном и дорожном строительстве.

Металлы условно делят на черные (железо и сплавы на его основе — сталь, чугун) и цветные.

Кристаллическое строение металлов

В твердом состоянии металлы и металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным расположением атомов. Кристаллические тела состоят из множества мелких зерен (кристаллитов), внутри которых атомы расположены закономерно, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В идеальной кристаллической решетке атомы находятся на определенных расстояниях друг от друга и располагаются в определенных местах. Такое упорядоченное расположение атомов отличает кристаллическое тело от аморфного, в котором атомы расположены беспорядочно. Аморфное твердое тело является изотропным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная стойкость и другие свойства. Если такое тело нагреть до определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то его аморфное состояние перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру— аморфную основу и образовавшиеся в ней кристаллы.

Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они обладают различными свойствами в разных направлениях. Это объясняется тем, что число атомов, приходящихся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково.

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, вызванные нарушением расположения атомов в кристаллической решетке. Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения определенным образом сказываются на свойствах металлов. Дефекты кристаллического строения по геометрическим признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы. Атомы находятся в колебательном движении около узлов кристаллической решетки, а нагревание увеличивает амплитуду этих колебаний. Большинство атомов металла в решетке обладают одинаковой (средней) энергией, однако отдельные из них имеют энергию, превосходящую среднюю, и могут перемещаться из одного места в другое. Так, атомы, расположенные ближе к поверхности, выходят на поверхность, а их место могут занять атомы, находящиеся дальше от нее. Освободившееся место, где находился переместившийся атом, называется вакансией. Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучением и других видах воздействий. Вакансии играют важную роль в диффузионных процессах, происходящих в металлах и сплавах.

Межузельные дефекты образуются вследствие перехода атома из узла решетки в межузлие кристаллической решетки. Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Дефекты кристаллической решетки: а — вакансия; б — межузельный атом

Линейные дефекты называются дислокациями. Различают два вида дислокаций — краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой местное искажение кристаллической решетки; винтовая дислокация образуется при неполном сдвиге кристалла в плоскости. Дислокации происходят в процессе кристаллизации, при термической и химико-термической обработках, пластической деформации и других видах воздействий на структуру металлов. Для дислокации характерна большая подвижность. Это связано с тем, что кристаллическая решетка в зоне нахождения дислокации упруго искажена, а смещенные атомы стремятся переместиться в равновесное положение. На свойства металлов влияет не только плотность дислокаций, но и их расположение в объеме.

Поверхностные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными кристаллами или их блоками. На границах зерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.

Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-кристаллического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов.

Металлы и сплавы могут находиться в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Этот вид кристаллизации является первичной в отличие от вторичной кристаллизации (перекристаллизации), которая имеет место в твердом металле. В чистых металлах твердое состояние переходит в жидкое при температуре плавления, жидкое в газообразное — при температуре кипения. Температура плавления металлов колеблется от —39 °С (для ртути — самого легкоплавкого металла) до +3390 °С (для вольфрама — самого тугоплавкого металла).

На рис. 1.2 приведена схема, показывающая механизм кристаллизации металла.

Рис. 1.2. Схема кристаллизации металлов

До тех пор пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет строго определенную геометрическую форму, однако при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и образуются так называемые кристаллиты — зерна.

Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше степень охлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства металла (сплава). Особенно это сказывается на пластичности металла. На процесс кристаллизации оказывает влияние ультразвук, модифицирование, введение порошков, частицы которых служат центрами кристаллизации; поверхностно-активные вещества, облегчающие образование зародышей, и др.

Рис. 1.3. Схема дендрита Д.К.Чернова

Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный характер, поскольку развитие зародышей протекает главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются ветви — оси первого порядка / (рис. 1.3). От этих осей начинают расти новые оси второго //, от осей второго — оси третьего порядка ///и т.д.