Металлические материалы

Лекция  № 5: Металлические материалы

 

5.1 КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

     Металлы – это кристаллические вещества, характеризующиеся рядом специфических свойств:

1. Электро- теплопроводность, магнитная восприимчивость (склоннисть к образованию магнитных волн, полей), высокая однородность структуры, высокая пластичность, высокая прочность;
2. Физические свойства: блеск, непрозрачность, высокая плотность (в среднем в 3 раза выше цемента ρ=7800(кг\м³), высокие технологические свойства.

Свойства  металлов обусловлены их строением: как правило, все металлы имеют упорядоченную структуру в виде кристаллической решетки (3 вида решёток см. ниже). За счёт чего металлы обладают рядом положительных свойств: пластичность, ковкость, прочность, а так же отрицательным рядом свойств: низкая огнестойкость (металл при t=600°C плавится и перестаёт нести нагрузку), низкая коррозионная стойкость – способность металла окисляться в различных средах и терять прочностные свойства, это ведёт к удорожанию работ по защите металла от коррозионных процессов – обмазка специальными мастиками и защитными составами. 

Поэтому для регулирования свойств металлов применяют либо упрочнение за счёт следующих операций:

-термическая  обработка стали;

-химико-термическая обработка стали;

-азотирование;

-металлизация.

Либо  созданием специальных “сплавов”. На практике термин «металлы» распространяют и на сплавы. Применяют, как правило, не чистые металлы, а сплавы, т.к. они обладают по сравнению с чистыми металлами более высокой прочностью, лучше подаются разным видам обработки.

     Сплавы  – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов с неметаллами.

      Металлы имеют кристаллическое строение, при затвердевании они образуют геометрически правильные системы – кристаллические решетки различных модификаций. Атомы металлов являются положительно заряженными ионами, которые непрерывно колеблются около положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, кристаллы расширяются, а при температуре плавления колебания настолько усиливаются, что кристаллическая решетка разрушается. Кристаллы анизотропны, имеют неодинаковые свойства по разным направлениям, что объясняется различным числом атомов решетки в разных сечениях.

     Применяемые в строительстве металлы делят  на две группы: черные и цветные.

     Черные  металлы  (чугун и сталь) – это  сплавы железа с углеродом.

     В стали, содержание углерода составляет до 2,14%, в чугуне – 2,14…6,67%. Цветные  металлы делят по плотности на легкие (ρ<3 г/см³) и тяжелые (ρ>3 г/см³).

   

     Наибольшее  применение в строительстве получили стали. Это каркасы промышленных и гражданских зданий, конструкций мостов, эстакад, труб. Сталь используется для производства арматуры, канатов, для железобетона. В современном строительстве расширяется область применения цветных металлов – это конструкции из алюминиевых сплавов, архитектурно-строительные детали, обладающие высокой коррозионной стойкостью и декоративностью.

     По  назначению металлы делят на конструкционные, инструментальные, специальные.

     1. Инструментальные стали и сплавы обладают высокой плотностью и прочностью, за счёт их способа  изготовления, упрочнения, либо за счёт ввода в их состав легирующих компонентов, которые по плотности и твёрдости превосходят плотность и твёрдость основной стали.

     2. Конструкционные стали используются для изготовления из них конструкций. Для каждой отрасли качества предъявляемые к стали разные, поэтому в зависимости от производства используется сталь определенной марки, с заданными свойствами.

     3. Специальные стали и сплавы  обладают высокой плотностью, как  правило неизменностью геометрических размеров.

      Понятие о кристаллизации.

      Различают первичную и вторичную кристаллизацию металлов. Первичная кристаллизация – образование кристаллической структуры в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое.

                                                                                                                                               Вторичная кристаллизация – это изменение кристаллического строения металлов в твердом состоянии, это так называемая аллотропия металлов и сплавов.

      Свойства  металлов:

      1. Физическими свойствами металлов являются: цвет, плотность, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании.

                  2. Химическими свойствами являются: окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность и другие.

        3. Механические свойства: прочность на растяжение, твердость, ударная вязкость, усталость и т.д.

   Для исследования и испытания  металлов и сплавов используют следующие методы:

• Химический анализ устанавливает наличие химических элементов в металле и сплаве;
• Макроанализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или в лупу. Позволяет обнаружить усадочные раковины, пустоты, трещины, неметаллические включения, наличие вредных примесей (серы, фосфора);
• Микроанализ – изучение структуры металлов с помощью микроскопа. Позволяет определить структурные составляющие металлических сплавов, наблюдать расположение фаз, их форму и размеры;
• Термический анализ сводится к определению критических точек при нагревании и охлаждении с построением кривых «температура – время»;
• Рентгенографический анализ основан на различной степени поглощаемости рентгеновских лучей металлом и сплавом: сильнее – сплошным металлом, меньше там, где находятся газовые и шлаковые включения, трещины. Все это фиксируется на экране или фотоснимках;
• Ультразвуковая дефектоскопия основана на различной скорости прохождения ультразвука, позволяет обнаружить инородные включения, раковины, трещины (проверка качества сварочных работ);
• Механические испытания, подразделяются на: статические и динамические.

1) При статических испытаниях металл подвергается действию постоянной силы или силы, возрастающей медленно;

2) При динамических испытаниях металл подвергается действию ударов или быстро возрастающей силы.

           Атомно-кристаллическое строение металлов

         Рис. 5.2. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток

  металлов:  а-объемноценрированая  кубическая; б-гранецентрированная

  кубическая; в-гексагональная

а) – К, Li. Na, Mo, Cr, альфа железо; б) – Ni, Au, Pt, γ-железо; в) – Cd. α-Тi,  α-Zn.  
 

     Фазой называется физически и химически однородная часть системы, имеющая одинаковый состав, строение и агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы разделяющей поверхностью. Жидкий металл является однофазной системой. Смесь двух различных кристаллов или одновременное существование жидкого расплава и кристаллов являются двух или трех фазной системой. Составляющие сплавов называются компонентами. Различают следующие виды сплавов:

• Неоднородные - это механические смеси, состоящие из смеси кристаллов компонентов;
• Однородные - состоят из одной фазы:

1)     Твердые растворы, полученные при затвердевании расплавов;

2. Химические соединения, образовавшиеся при химическом взаимодействии компонентов. Химические соединения образуются между компонентами с отличающимися электронным строением атомов и кристаллических решеток;
3. Электронные соединения. Они образуются между одновалентными элементами или переходными металлами и простыми металлами валентностью от 2 до 5.

                 Разновидности растворов:

Твердые растворы – представляют собой фазы, в которой один из компонентов сплава сохраняют свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента располагаются в кристаллической решетке первого компонента.

Твердые растворы : замещения; внедрения.

В растворах замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решетки.

В растворах внедрения – атомы растворяемого вещества располагаются в междоузлиях. Характерны для элементов с малым атомным радиусом.

     Фазовый состав и структурные составляющие углеродистых сплавов - сталей и чугунов  - в равновесном состоянии описываются  диаграммой состояния «железо – углерод» (на Рис. 5.3. приведена Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов, содержащих до 6,7% углерода).

     

     Рис 5.3. Диаграмма Железо-Углерод.

      Все линии на диаграмме соответствуют  критическим точкам, т.е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах.

• Линия АВСД – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса).
• Линия АНJЕСF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса).

Чаще  всего в железоуглеродистых сплавах  углерод встречается в виде твердых растворов внедрения в a-железо и g-железо, а также в виде химического соединения Fe₃C – цементита.

      Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы состоят из жидкого расплава и твердых кристаллов (двухфазная система).

Первым  из жидкого расплава кристаллизуется аустенит.

• Область AJESG (IV)  на диаграмме соответствует аустениту - твердому раствору углерода в g-железе.
• Линия GS – начало выделения феррита, а линия SE – вторичного цементита.
• Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит. Линии GSK и PSK имеют большое значение при термической обработке стали. Линию GSK называют линией верхних критических точек, линию PSK – линией нижних критических точек.

Наиболее  характерные сплавы диаграммы:

• эвтектический сплав содержит 4,3% углерода, образуется при одновременной кристаллизации: аустенита и цементита и называется ледебуритом;
• эвтектоидный сплав содержит 0,81% углерода,  образуется при одновременной кристаллизации феррита и вторичного цементита и называется перлитом.

      В зависимости от содержания углерода (в %), железоуглеродистые сплавы получают следующие названия:

      при содержании углерода до 0,81 – доэвтектоидные стали;

  при содержании углерода 0,81 – эвтектоидные стали;

      при содержании углерода 0,81-2 – заэвтектоидные стали;

      при содержании углерода 2-4,3 – доэвтектические  чугуны;

      при содержании углерода 4,3-6,67 – заэвтектектические чугуны.

      Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и аустенита в области VIII, а в области IX – из феррита и перлита (Рис. 5.3 – 1).Структура эвтектоидной стали, содержащей 0,81% углерода, состоит из перлита (Рис. 5.3 – 2) Структура заэвтектоидных сталей будет состоять из перлита и вторичного цементита. При медленном охлаждении вторичный цементит кристаллизируется по границам зерен перлита, образуя твердую и хрупкую оболочку, видимую под микроскопом в виде сетки (рис. 5.3. – 3). С увеличением содержания углерода меняется структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество феррита. Поэтому для области чугунов на диаграмме характерны такие структуры как цементит первичный и вторичный, ледебурит.