Введение. Строение металлов

Лекция 1

Модуль 1 Производство материалов в машиностроении

План

1. Из истории развития металловедения

2. Кристаллические решетки металлов

3. Кристаллизация металлов и аллотропия

4. Методы исследования строения металлов

5. Физико-механические свойства металлов, методы испытания

Из истории известно, что люди познакомились с металлами еще в глубокой древности. Они находили самородные металлы (золото, серебро, медь) и изготавливали из них украшения, оружие, орудия труда. Позже научились извлекать металлы из природных минералов, которые не обладали заметными металлическими свойствами. Перечень металлов, используемых человеком, постепенно рос, и если в средние века алхимики знали всего семь металлов (золото, серебро, медь, железо, свинец, олово, цинк), то в наше время используют около 70 чистых металлов и сотни сплавов.

Прогресс науки и техники стимулировал ученых на использование новых металлов и создание сплавов с необходимыми свойствами. Так развитие авиации дало толчок росту производства алюминия и его сплавов, развитие электротехники – расширению применения меди и вольфрама, для артиллерии и другой военной техники потребовались магний и прочие легированные стали, появление сверхзвуковой авиации и создание космических аппаратов привело к скачку выплавки титана.

Самородные металлы встречаются теперь редко, а такие металлы как алюминий, цинк, магний, титан и многие другие, встречаются в земной коре главным образом в виде прочных соединений с кислородом, серой, кремнием или галогенами. Скопление этих природных соединений это и есть месторождения руды. Раньше из руды извлекали только основной металл, теперь из-за взросшей стоимости переработки из сырья извлекают и другие его составляющие. Чтобы получить металл. Необходимо израсходовать много топлива, кислорода, флюсов, воды. Поэтому, экономя металл, не только освобождается много людей от тяжелого труда, но и сохраняются природные ресурсы, уменьшается загрязнение природы, так кА при выплавке металла в атмосферу выбрасывается немало вредных газов и пыли, загрязняются водоемы и почва (отвалы шламов, шлаков, пустой горной породы). Современные способы получения чистых металлов сложны и многоступенчаты. Основы науки о металлах заложил М.В.Ломоносов. Россия стала одной из передовых стран по выплавке чугуна, стали, меди, золота, серебра и экспортировала их за границу. Но в начале 19 века из-за сохранения феодальных устоев в России темпы роста выплавки металлов резко сократились и экспорт прекратился. После Октябрьской революции все металлургические заводы были национализированы, но лишь только после гражданской войны к 1929году производительность заводов достигла уровня 1913года. К 1980году СССР стал крупнейшим экспортером металла.

Металлы – кристаллические тела, атомы которых располагаются в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы, и представляют собой химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая проводимость тепла и электрического тока, ковкость и способность свариваться. У аморфных (не имеющих форму) тел, атомы находятся в беспорядочном состоянии. К аморфным телам относятся стекло, смола, пластмассы, латексы и т.д.

Располагаясь в металлах в строгом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве – атомно-кристаллическую.

Типы кристаллических решеток у различных металлов различные. Наиболее часто встречаются решетки: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная, гексагональная плотноупакованная.

В ячейке решетки кубической объемно-центрированной атомы располагаются в вершинах куба и в центре куба (хром, ванадий, вольфрам, молибден и др.).

В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы располагаются в вершинах куба и в центре каждой грани куба (алюминий, никель, медь, свинец и др.)

В ячейке гексагональной плотноупакованной решетки атомы располагаются в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внутри призмы (магний, цинк и др.). Кристаллическая решетка состоит из огромного количества ячеек.

Реальные кристаллы в отличие от идеальных имеют структурные несовершенства: точечные, линейные, поверхностные.

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Великий русский ученый Д.К.Чернов установил, что процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. Оба процесса протекают одновременно. В результате возникают кристаллы, которые не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называются кристаллитами или зернами. На образование центров кристаллизации влияет степень переохлаждения. Чем больше степень переохлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации, и зерна получаются мельче. Размер зерна влияет на механические свойства металла.

Аллотропией или полиморфизмом называют способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а, следовательно, и различные свойства при изменении температуры. Процесс перехода из одной кристаллической формы, называемой модификацией, в другую называется аллотропическим (полиморфным) превращением. Модификации обозначают буквами греческого алфавита: α - альфа, β - бета, γ - гамма, δ - дельта и т.д.

Исследование строения металлов проводят такими методами:

- макроскопический анализ – макроструктура – строение металла, видимое без увеличения или при небольшом увеличении (от 10 до 30 раз) с помощью лупы. Макроструктуру исследуют на поверхности металла в изломе или на макрошлифе - поверхность специального образца (темплета), подготовленного для исследования макроструктуры. Темплет вырезают в определенном месте и в определенной плоскости в зависимости от того, что подвергают исследованию, шлифуют и подвергают травлению кислотами или другими реактивами;

- микроскопический анализ (микроанализ) применяют для определения

* формы и размеров зерен, из которых состоит металл или сплав

* изменений внутреннего строения сплава, происходящих под влиянием различных режимов обработки

* выявления микропороков металла – микропор, микротрещин и т.п.

* обнаружение неметаллических включений – сульфидов, окислов и др.

Для микроанализа вырезают небольшой образец (микрошлиф), одну его плоскость шлифуют, полируют, травят, а затем исследуют под микроскопом.

Для исследования структуры металлов и сплавов применяют микроскопы отраженного света, называемые металлографическими. Для более тщательного исследования микрошлифов применяют электронные микроскопы.

- рентгеноструктурный анализ применяют для исследования внутреннего строения кристаллов, т.е. расположения атомов в кристаллической решетке (рентгенограммы). Для этого используют рентгеновские лучи, источником которых является рентгеновская трубка

- метод радиоактивных изотопов основан на явлении распада атомов, введенных в металл. Радиоактивный распад сопровождается излучением, которое легко обнаружить. Иногда этот метод называют методом меченых атомов потому, что атомы радиоактивных изотопов выделяются из множества других.

К механическим свойствам металлов относится механическая деформация – изменение размеров и формы изделия под действием приложенных сил. Деформация бывает упругой, исчезающей после прекращения действия внешних сил, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

При упругой деформации под действием приложенной нагрузки расстояние между атомами в кристаллической решетке изменяется. При растяжении удаляются друг от друга, а при сжатии сближаются.

При пластической деформации происходит скольжение (сдвиг) одной части кристалла относительно другой как результат перемещения атомов по определенным плоскостям кристаллической решетки.

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов делят на три группы:

- статистические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно - испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость;

- динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью - испытание на ударный изгиб;

- циклические, когда нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по значению – испытание на усталость.

Методы механических испытаний установлены государственными стандартами.

Испытание на растяжение проводится на разрывных машинах с гидравлическим или механическим приводом. Для испытания используются цилиндрические или плоские образцы. Машины снабжены автоматическим устройством, которое записывает диаграмму растяжения.

Испытания на твердость проводятся на несложных по устройству и простых в обращении приборах. Под твердостью понимают сопротивление испытуемого металла вдавливанию в него металлического или алмазного наконечника. Для испытания на твердость не требуется изготовление специальных образцов. Существует три способа испытания на твердость – по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу.

Испытание на твердость по Бринеллю – в поверхность вдавливается с определенной силой стальной закаленный шарик диаметром 1; 2; 2,5; 5 и 10мм. Число твердости по Бринеллю НБ – характеризуется отношением нагрузки, действующей на шарик, к поверхности отпечатка: НБ = F \ 9,8 * S

Испытание на твердость по Роквеллу – в поверхность вдавливают алмазный конус с углом 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59мм. При вдавливании стального шарика шкала В, алмазного конуса шкала С и шкала А - для очень твердых металлов. Твердость по Роквеллу выражается в условных единицах НRА, НRВ, НRС и определяют по глубине отпечатка h. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002мм.

Испытание по Виккерсу – в поверхность вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду. Число твердости НV определяют по формуле

НV = F \ d², где d – среднее арифметическое длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм

Домашнее задание: [1] Глава1, подготовиться к тестированию по лккции1, подготовить дайджест по теме "Методы исследования строения металлов"