Тема 6. Основи металознавства

План

1. Властивості та застосування металів і сплавів.

2. Будова металів і сплавів.

3. Кристалізація металів.

4. Одержання сплавів.

5. Структурні складові залізовуглецевих сплавів.

6. Діаграма стану системи залізо-вуглець.

Властивості та застосування металів і сплавів.

Металами називаються непрозорі кристалічні речовини, які мають специфічний блиск (гарні відражальні властивості), високі тепло- та електропровідність, пластичність та інші характерні властивості.

За зовнішніми ознаками всі метали можна розділити на дві групи: чорні, що мають темно-сірий колір та кольорові - червоний, жовтий або білий колір.

До чорних металів відносять залізо та його сплави (сталі та чавуни), вони складають 95% світового виробництва всіх металів.

Всі інші метали відносяться до кольорових - біля 5% виробництва металів.

При кристалізації розплавів метали утворюють сплави.

Метали і сплави характеризуються слідуючими властивостями: механічними, технологічними, фізичними, хімічними.

До механічних властивостей відносяться: міцність, твердість, пруж­ність, в’язкість, пластичність, крихкість.

Міцність - здатність матеріалу протистояти руйнуванню під впливом зовнішніх сил.

Твердість - здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього більш твердого тіла, або опір матеріалу деформації в поверхневому шарі місцевому силовому контактному впливові.

Пружність - властивість матеріалу відновлювати свою форму після закінчення дії зовнішніх сил, що визивають деформацію.

В’язкість - здатність матеріалу чинити опір ударним навантаженням. Це властивість протилежна крихкості.

Крихкість - руйнування матеріалу під дією зовнішніх сил.

Пластичність – властивість матеріалу деформуватися без руйнування під дією зовнішніх сил зберігати змінену форму після закінчення дії зовнішніх сил.

Технологічні властивості – це властивості, що характеризують здатність металів піддаватись тим чи іншим видам обробки (ковкість, рідкотекучість, зварюваність, оброблюваність).

Фізичні властивості включають щільність (густину), температуру плавлення, тепло- та електропровідність, здатність до намагнічування.

Хімічні властивості металів визначаються їх відношенням до хіміч­ного впливу різних середовищ (корозійна стійкість, жаростійкість, жароміцність) при нормальних та підвищених температурах.

Всі перераховані властивості залежать від природи металів та їх внутрішньої будови.

Метали і сплави мають велике значення в народному господарстві, вони знаходять застосування в машино-, приборо-, літако-, кораблебуду­ванні і інших галузях у вигляді конструкційних матеріалів, у вигля­ді легуючих добавок, у вигляді провідників електричного струму; у великих кількостях  в будівництві, у вигляді сортового прокату, арматурної сталі, виробів з чавуну (каналізаційні труби, люки, отоплювальні батареї та ін.), конструкційна листова сталь при різних спорудженнях, стальні конструкції мостів, опорні балки і т.д.

Будова металів і сплавів

Метали і сплави можуть находитись в твердому, рідкому та газоподіб­ному агрегатному стані. Перехід їх в той чи інший агрегатний стан пов’язаний зі зміною температури і тиску.

При звичайній температурі всі метали (крім ртуті) тверді речовини.

В твердому стані вони мають кристалічну будову. Атоми в них розміщуються у просторі в точно визначеному порядку, утворюючи правильні геометричні фігури - просторові кристалічні решітки.

У відповідності до сучасних поглядів кристали металів складаються з позитивно заряджених іонів, які займають вузли просторових решіток, та вільних електронів (валентних, які знаходяться на зовнішніх оболонках), відокремлених від відповідних атомів.

Кристалічна решітка утворена найменшим комплексом атомів (іонів) даного металу, називається елементарною кристалічною коміркою.

Кристалічні решітки різних речовин різняться по формі та величині комірки.

Найбільш поширеними типами елементарних комірок металів є об’ємноцентрована кубічна решітка, утворюється 9 атомами (£ - залізо хром), гранецентрована кубічна решітка, утворюється 14 атомами (£ - залізо, алюміній) і гексагональна щільно упакована, що утворюється 17 атомами (магній, цинк).

Кристалізація металів.

При переході металу з розплавленого стану в твердий проходить його кристалізація - утворення кристалів.

Розрізняють первинну кристалізацію - перехід з рідкого стану в твердий, та вторинну кристалізацію - перекристалізацію із однієї модифікації в іншу в твердому стані.

Кристалізація включає два процеси, які протікають одночасно:

- зародження центрів кристалізації (зародків),

- ріст кристалів з цих центрів.

Від крупності кристалів замітно залежать механічні властивості металів. Чим вище швидкість охолодження розплаву, тим дрібніші утво­рюються кристали. Дрібнозернистий метал має більшу міцність, пластич­ність, добре обробляється.

При зміні температури тип кристалічної решітки може змінюватися.

Існування металу в декількох кристалічних формах, називається алотропією або поліморфізмом.

Перехід з однієї алотропічної форми металу в другу при нагріван­ні або охолодженні називається фазовим перетворенням. Так установлено, що від звичайної температури і до 9І0°С залізо находиться у вигляді £ - заліза, що має об’ємноцентровану кубічну решітку, а при 910°С воно перетворюється у γ-залізо. Його решітка має форму гранецентрованого куба. З підвищенням температури до 1390°С γ-залізо переходить в ∆ - залізо (дельта-залізо), яке кристалізується знову в формі об’ємноцентрованого куба.

Одержання сплавів.

В більшості випадків як конструктивні матеріали використовуються не чисті метали, а їх сплави.

Сплавами називають речовини, до складу яких входять два або декілька металів і неметалічних елементів, які мають металічні властивості.

Основними способами одержання сплавів є сплавлення, зпікання, електроліз та конденсація з пароподібного стану.

По кількості компонентів сплави ділять на подвійні, потрійні і т.д.

Існують сплави трьох видів: хімічні сполуки (інтерметали), тверді розчини, механічні суміші.

Хімічні сполуки - це сплави, які мають кристалічну решітку, яка відрізняється від решіток компонентів, що утворюють сполуку. Вони мають постійну температуру плавлення та кристалізації (Fe₃C - цементит).

Тверді розчини - це сплави, в яких один з компонентів розчинник зберігає свою кристалічну решітку, а другий (або другі компоненти) віддає свої атоми в решітку розчинника (ферріт, аустеніт).

Механічні суміші - сплави, які утворюються речовинами, що не реагують між собою і не здатні утворювати тверді розчини. Ці механічні суміші кристалів являються гетерогенними (неоднорідними) системами (перліт, ледебурит).