Технология материалов. Лекции

1    Чёрные и цветные металлы

Все применяемые  в технике металлы и сплавы делятся на чёрные и цветные.

К чёрным металлам относят железо и его сплавы (сталь, чугун, ферросплавы). Все остальные  металлы и сплавы составляют группу цветных металлов.

Наибольшее распространение в технике получили чёрные металлы. На их долю приходится свыше 90% производимой металлопродукции. Это обусловлено большими запасами железных руд в земной коре, сравнительно простой технологией выплавки чугунов и сталей, их высокой конструктивной прочностью (прежде всего сталей) и относительно небольшой стоимостью.

Сталь - железоуглеродистый сплав, в котором углерода содержится от 0,02 до 2,14%. Сплав с меньшей концентрацией  углерода называется техническим железом.

Стали присущи  свойства, делающие её незаменимым материалом в машиностроении. Сталь обладает высокой прочностью и твёрдостью, достаточной пластичностью и вязкостью, хорошей свариваемостью. Ее можно обрабатывать резанием и давлением, отливать. Путем легирования и специальной обработки (термической, химико-термической, термомеханической и др.) стали можно придать нужные свойства, удовлетворяющие самым разнообразным требованиям современной техники.

Чугун - железоуглеродистый сплав с содержанием углерода свыше 2,14%. В технике наибольшее применение получили чугуны, содержащие от 2,4 до 3,8% углерода.

Чугун дешевле  стали, он более хрупок, хуже сваривается, но обладает лучшими литейными свойствами и лучшей обрабатываемостью резанием. Изделия из чугуна получают исключительно  литьем. Однако прокатка чугуна также принципиально возможна. Большая часть чугуна идет на переплавку в сталь.

Цветные металлы  применяются в технике реже, чем  чёрные. Это объясняется незначительным содержанием многих цветных металлов в земной коре, сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной прочностью. Цветные металлы дороже чёрных, и, когда это возможно, их заменяют чёрными металлами, пластмассами и другими более дешёвыми материалами. Однако цветные металлы имеют свойства, которые делают их применение в технике незаменимым. Например, медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью и используются для изготовления проводников электрического тока в электротехнике, в различных теплообменниках, радиаторах, холодильниках. Сплавы магния, алюминия и титана благодаря малой плотности, высокой удельной прочности широко применяются в самолётостроении, космической технике и т.д.

Из цветных  металлов и сплавов наибольшее распространение  получили сплавы алюминия и меди. Из года в год возрастает интерес  к титану и его сплавам, которые широко применяются в авиа- и ракетостроении, в химической промышленности, цветной металлургии и т.д. 

Цветные металлы  условно подразделяются на:

легкие (литий, магний, бериллий, алюминий, титан и др.), обладающие малой плотностью (до 5000 кг/м3);

легкоплавкие (ртуть, цезий, галлий, рубидий, олово, свинец, цинк и др.), имеющие низкую температуру  плавления;

тугоплавкие (вольфрам, тантал, молибден, ниобий и др.), температура  плавления которых более высокая, чем железа (1539 °С);

благородные (золото, серебро, металлы платиновой группы), обладающие высокой коррозионной стойкостью;

урановые - актиниды, используемые в атомной технике;

редкоземельные (РЗМ) (скандий, иттрий, лантан и лантаниды), применяемые в качестве присадок к сплавам других элементов;

щелочные (натрий, калий, литий и др.), не находящие  применения в свободном состоянии (за исключением особых случаев, например в качестве теплоносителей в ядерных  реакторах).

Металлические материалы в настоящее время  не имеют единого стандартного обозначения. Условные обозначения марок различных металлических материалов приведены в сводной табл. 1.1. Условные обозначения и единицы измерения физических и общетехнических величин даны в табл. 1.2. 

  Атомно-кристаллическое  строение металлов

  

Твердые тела в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации делят на аморфные и  кристаллические.

Аморфный металл получается при скоростях охлаждения 106-107 °С/с и более в виде тонких лент или мелких частиц. Атомы при  этом не располагаются в правильном порядке, не образуют кристаллов. 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 аморфное состояние его перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру: аморфная основа и образовавшиеся в ней кристаллы.

В кристаллических  твердых телах (при меньших скоростях охлаждения) атомы расположены в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы и создавая кристаллическую решетку или воображаемую пространственную сетку. Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях. Это объясняется тем, что число атомов, приходящееся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково.

Металлы имеют  кристаллические решетки различных  типов. Чаще всего встречаются три  типа: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) кристаллические решетки. Показанные на рис.5, а – в наименьшие объемы кристаллов называются элементарными кристаллическими ячейками, с помощью которых представляют атомное строение металлов.

Рис. 5. Элементарные кристаллические ячейки:

а – кубическая объемно-центрированная; б – кубическая гранецентрированная;

в – гексагональная плотноупакованная.

В элементарной ячейке кубической объемно-центрированной решетки (рис. 5, а) содержится девять атомов: восемь располагаются по узлам ячейки и один атом – в центре. Такой тип решетки имеют литий, натрий, калий, рубидий, ванадий, молибден, вольфрам, ниобий, тантал, (-железо и другие металлы.

В элементарной ячейке кубической гранецентрированной решетки (рис. 5. б) находится четырнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и в центре каждой грани. Этот тип решетки имеют свинец, никель, серебро, золото, медь, алюминий, платина, кальций, ?-железо, церий, (-кальций и др.

В элементарной ячейке гексагональной плотноупакованной  решетки (рис. 5, в) содержится семнадцать атомов, которые расположены в  углах ячейки и центрах шестигранных оснований призмы и три атома  в средней плоскости призмы. Такую  решетку имеют магний, цинк, кадмий, рений, бериллий, гафний, титан ((-фаза), осмий и др. Размеры кристаллической решетки характеризуются расстоянием между центрами соседних атомов, находящихся в вершинах элементарных ячеек, называемым параметром или периодом решетки. Кубическую решетку характеризует один параметр – длина ребра куба а, а гексагональную – два параметра а и с или их отношение с/а.

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 относят вакансии и межузельные атомы. Известно, что атомы находятся в колебательном движении около узлов решетки. Нагревание увеличивает амплитуду этих колебаний. Большинство атомов металла в данной решетке обладает одинаковой энергией (средней), однако отдельные атомы имеют энергию, превосходящую среднюю и могут перемещаться из одного места в другое. Такие атомы, особенно расположенные ближе к поверхности, выходят на поверхность, а их место могут занять атомы, находящиеся дальше от поверхности. Освободившееся место, где находился переместившийся атом, называется вакансией (рис. 6, а). Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучении и других видах обработки. Вакансии играют важную роль в диффузионных процессах, происходящих в металлах и сплавах.

Рис. 6. Дефекты  кристаллической решетки:

а – вакансия; б – межузельный атом.

Рис. 7. Схема  кристаллизации металло

Межузельные дефекты  образуются в результате перехода атома  из узла решетка в межузлие кристаллической  решетки. Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки (рис. 6, б).

Линейные дефекты  называются дислокациями. Различают  два вида дислокаций – краевые  и винтовые. Краевые дислокация представляет собой местное искажение кристаллической  решетки; винтовая дислокация образуется при неполном сдвиге кристалла по плоскости. Дислокации образуются в процессе кристаллизации, при термической и химико-термической обработках, пластической деформации и других видах воздействий на структуру сплавов. На свойства металлов влияет не только плотность дислокаций, но и их расположение в объеме.

Поверхностные дефекты представляют собой поверхности-раздела  между отдельными кристаллитами  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 и сплавов.

Как известно, металлы  и сплавы находятся в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Этот вид кристаллизации называется 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 самого тугоплавкого металла вольфрама). На рис. 7 приведена схема кристаллизации металла. До тех пор, пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет правильную геометрическую форму, но 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. На процесс кристаллизации оказывает влияние ультразвук; модифицирование; введение порошков, частицы которых служат центрами кристаллизации; поверхностно-активные вещества, облегчающие образование зародышей и др. 

Полиморфизмом или аллотропией называют способность  металла в твердом состоянии  при изменении температуры перестраивать  свою кристаллическую решетку. Полиморфные  превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла. Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждой модификации свойственно оставаться устойчивой лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур.

Железо известно в двух полиморфных модификациях – ( и ?.  На рис. 8 приведена кривая охлаждения, характеризующая его  аллотропические превращения. В  интервале температур 911-1392°С железо имеет кубическую гранецентрированную  решетку ?-железа (Fe?), а в интервале от 0 до 911°С и от 1392 до 1539°С – объемно центрированную решетку (-железа (Fe(). Железо меняет свои магнитные свойства: выше 768°С железо немагнитно, а ниже – магнитно. 

2 Классификация металлов 

По объему и  частоте использования металлов в технике их можно разделить на металлы технические и редкие. Технические металлы -- это наиболее часто применяемые; к ним относятся железо Fе. медь Сu, алюминий А1, магний Мg, никель Ni, титан Тi, свинец Рb. цинк Zn, олово Sn. Все остальные металлы -- редкие (ртуть Нg, натрий Nа, серебро Аg, золото Аu, платина Рt:, кобальт Со, хром Сr, молибден Мо, тантал Та, вольфрам W и др.).

Железо в чистом виде используется чрезвычайно редко. Обычно используют железоуглеродистые (Fе-С) сплавs -- стали и чугуны. которые образуют группу черных металлов. Все остальные представляют группу цветных металлов. На долю черных металлов приходится --85% всех производимых металлов, а на долю цветных --15%.

По физико-химическим свойствам металлы можно разделить  на шесть основных групп.

Магнитные -- Ае, Со, Ni обладают ферромагнитными свойствами. Сплавы на основе Fе (стали и чугуны) являются главными конструкционными материалами; сплавы на основе Fе, Со и Ni являются основными  магнитными материалами (ферромагнетиками).

Тугоплавкие - металлы, у которых температура плавления выше, чем у Fе (1539°С); это W (3380°С), Та (2970°С), Мо (2620°С), Сr (1900°С), Рt (1770°С), Тi (1670°С) и др. Применяют их как самостоятельно, так и в виде добавок в стали, работающие, в частности, при высокой температуре.

Легкоплавкие -- имеют температуру плавления  ниже 500°С; к ним относятся: Zn (419°С), Рb (327°С), кадмий Сd (321°С), таллий Т1 (3О3°С), висмут Вi (271°С), олово Sn (232°С) и др. Назначение их самое различное: антикоррозионные покрытия, антифрикционные сплавы, проводниковые материалы.