Строение и свойства металлов

      Рассмотрим  реальный процесс получения стального  слитка. Стальные слитки получают охлаждением  в металлических формах (изложницах) или на установках непрерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердеть одновременно во всем объеме из-за невозможности создания равномерной скорости отвода тепла. Поэтому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь жидкого металла. 
 
 
 
 

      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 размеров, 5 - усадочная рыхлость, 6 — усадочная раковина

      При соприкосновении жидкого металла  со стенками изложницы 1 (рис. 6) в начальный момент образуется зона мелких равноосные кристаллов 2. Так как 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 3, Состоящая из древовидных или столбчатых кристаллов. Во внутренней зоне слитка 4 образуются равноосные, неориентированные кристаллы больших размеров в результате замедленного охлаждения.

      В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина 6 вследствие уменьшения объема металла при охлаждении. Под усадочной раковиной металл 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 состав, который тем больше, чем крупнее  слиток. Например, в стальном слитке концентрация серы и фосфора увеличивается от поверхности к центру и снизу вверх. Химическую неоднородность по отдельным зонам слитка называют зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства металла.

      Аллотропия  металлов. Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные, кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др. Например, железо в интервале температур 911—1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГКЦ) γ-Fе (рис.7). В интерпалах до 911˚С и от 1392 до 1539˚С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) — α-Fе. Аллотропические формы металла обозначаются буквами α, β, γ и т. д. Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через букву а, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д. 

       Аллотропические превращения  в железе.  

      При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов — изменение объема металлов (особенно характерно для олова) и растворимости углерода (характерно для железа).

      Методы  изучения строения металлов. Изучение строения металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновского, а также 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 т. д., а также неравномерность распределения примесей в металле. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам. Макрошлиф — это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, тщательно обезжирена, протравлена и рассматривается с помощью лупы с увеличением в 5—10^х.

      Микроанализ выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, приготовленным так же, как и для макроанализа, но дополнительно отполированным до зеркального блеска. Шлифы рассматриваются в отраженном свете под оптическим микроскопом при увеличении до 3000^х . 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. В сплаве структурные составляющие травятся также различно.

      В электронном микроскопе рассматривают реплику — слепок с особо тонкой структуры металла при увеличениях до 100 000^х. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, неметаллические включения и их характер — трещины, пористость и т. д., качество термической обработки. 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 рентгеновских лучей рядами атомов кристаллической решетки, позволяет обнаружить дефекты (пористость, трещины, газовые пузыри, шлаковые включения и т. д.), не разрушая металла. В местах дефектов рентгеновские 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, которые проникают в изделие набольшую глубину, чем рентгеновские.

      Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (сталь, никель и др.) на глубине до 2 мм (трещины различного происхождения, неметаллические включения и т. д.). Для этого испытуемое изделие намагничивают, покрывают его поверхность порошком железа; осматривают его поверхность и размагничивают изделие. Вокруг дефекта образуется неоднородное поле, вследствие чего магнитный порошок повторяет очертания дефекта. Другой метод - магнитный индукционный -часто используют для оценки полноты структурных превращений в сплавах (изделиях) после их термической обработки.

      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 каким-либо дефектом отражается от него. При этом отраженные волны принимаются, усиливаются и передаются на показывающий индикатор. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поковок, проката и других изделий при необходимости сохранения целостности изделий. 
 

      3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА 

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

      Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий - серебристо-белый.

      Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы делят на легкие (менее 4500кг/м¹) и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стремятся 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). Температура плавления имеет большое значение при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий. В системе СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).

      Теплопроводностью называют способность металлов передавать тепло от более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро, 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 металла для деталей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образуются трещины. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с хорошей теплопроводностью. В системе СИ теплопроводность имеет размерность Вт/ (м • К).

      Тепловым  расширением называют способность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаждении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения α =(l2-l1)/[l1(t2-t1)], где l1 и l2 длины тела при температурах t1 и t2. Коэффициент объемного расширения равен 3α. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, укладке железнодорожных рельсов.

      Теплоемкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В системе СИ имеет размерность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемкости — количеству тепла, выраженному в больших калориях, которое требуется для повышения температуры 1 кг металла на 1°С (в системе СИ — Дж/(кгК)).

      Способность металлов проводить электрический  ток оценивают двумя взаимно  противоположными характеристиками —электропроводимостью и электросопротивлением. Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), а удельная электропроводимость—в См/м, аналогично электросопротивление выражают в омах (Ом), а удельное электросопротивление - в Ом/м. Хорошая электропроводимость необходима, например, для токонесущих проводов (медь, алюминий). При изготовлении электронагревательных приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). С повышением температуры металла его электропроводимость уменьшается, а с понижением — увеличивается.

      Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В системе СИ магнитная постоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

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

      Металлы, стойкие к окислению при сильном  нагреве, называют жаростойкими или окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур.

      Сопротивление металлов коррозии, окалинообразованию и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу 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. 
 

      4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

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

      Напряжение— величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис.8). В действительности материал 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  растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат - нагрузки, приложенные к образцу.