Понятие о металлах и сплавах

1. Введение.

Понятие о металлах и сплавах. 

  Из  всех известных в настоящее время  элементов более половины являются металлами. Металлы — непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. По этому признаку металлы легко отличить от других веществ (дерево, стекло и т. д.).

  Все металлы и образованные из них  сплавы делят на черные (к ним относят железо и сплавы на его основе, на их долю приходится около 95 % производимой в мире металлопродукции) и цветные. В технике принята условная классификация, по которой металлы делят на группы:  

• легкие — алюминий (Al),магний (Mg);
• тяжелые — медь (Си), свинец (Рb);
• тугоплавкие — вольфрам (W), молибден (Мо);
• благородные — золото (Аu), платина (Pt);
• рассеянные — гадолиний (Gd), индий (In), таллий (Tl);
• редкоземельные — скандий(Sc), иттрий (Y);
• радиоактивные — радий (Ra), уран (U).

  Понятие „чистый металл” весьма условно. Любой чистый металл содержит примеси, а поэтому его следует рассматривать как сплав. Под термином „чистый металл” понимается металл, содержащий 0,010-0,001% примесей. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999%). Однако примеси даже в малых количествах могут оказывать существенное влияние на свойства металла.

  Чистые  металлы обладают низкой прочностью и не обеспечивают требуемых физико-механических и технологических свойств. Поэтому их применение в технике в качестве конструкционных материалов ограничено. Наиболее широко применяют сплавы, которые обладают по сравнению с чистыми металлами более высокой прочностью и твердостью.

  Сплавы  — твердые и жидкие вещества —  получают сплавлением или спеканием двух или более металлов или металлов с неметаллами. Элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплавы могут состоять из двух или большего числа компонентов. Строение металлического сплава более сложное по сравнению с чистым металлом.

  Для рассмотрения строения, превращений  и свойств металлов и сплавов введем понятие „фаза” и „структура”.

  Фазой называется однородная часть системы (металла или сплава), имеющая границы раздела, при переходе через которые их свойства резко меняются.

  Например, жидкий металл является однофазной системой; смесь жидкого металла и твердых кристалликов — двухфазной системой, так как свойства жидкого металла значительно отличаются от свойств твердых кристалликов. Фазами могут быть отдельные металлы, их химические соединения, а также растворы на основе металлов.

  Под структурой понимается строение металла, т.е. взаимное расположение различных фаз, форма и размер составляющих их кристаллов.

  Структурными  составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз.

  Одна из важнейших задач металловедения — определение связи между  структурой и свойствами.    
 
 
 

  Кристаллические решетки. 
 

  В кристаллических веществах, к которым  относятся все металлы, находящиеся в твердом состоянии, атомы занимают вполне определенное место, образуя пространственную решетку. Элементарная (наименьшая) ячейка этой решетки у каждого кристаллического вещества имеет свое, строго определенное строение и размеры (параметры). По „узору” и числу атомов в элементарной ячейке различают несколько типов атомных решеток.

  У металлов чаще всего наблюдаются  решетки следующих типов:

• кубическая объемноцентрированная (α-железо, вольфрам, молибден, β-титан и др.),
• кубическая гранецентрированная (γ-железо, алюминий, золото, медь, серебро, свинец и др.),
• гексагональная (бериллий, кадмий, магний, α-титан, цинк, γ-хром и др.).

  Элементарная  ячейка объемноцентрированной кубической (о.ц.к.) решетки образована девятью  атомами, восемь из которых расположены  на вершинах воображаемого куба, а девятый — в его центре (рис. 1,а).

  Элементарная  ячейка гранецентрированной кубической (г.ц.к.) решетки имеет более плотную упаковку и содержит 14 атомов — восемь расположены на вершине куба и шесть на пересечении диагоналей его граней (рис. 1,б).

  Элементарная  ячейка гексагональной решетки представляет собой гексаэдр (шестигранную призму), в центре основания которого и вершинах углов расположены атомы; кроме того, три атома находятся внутри гексаэдра. Всего ячейка содержит 17 атомов (рис. 1, в).

  В элементарной ячейке кристаллической  решетки можно выделить ряд характерных, так называемых кристаллографических плоскостей. В зависимости от ориентации плоскость может пересекать большее или меньшее количество атомов. В кубической о.ц.к. решетке наибольшее число атомов пересекает плоскость, проходящую по диагонали куба (рис. 1,г), в кубической г.ц.к. решетке — через диагонали граней и диагональ куба (рис. 1, д) в гексагональной — через его основание. Последняя плоскость называется базисной плоскостью.

  В результате повторений элементарной ячейки в трех измерениях образуется тело кристалла с однообразно ориентированной атомной решеткой. Внешняя форма кристалла или, как его часто называют, монокристалла зависит от строения элементарной ячейки и условий кристаллизации, т.е. от образования кристаллов при переходе из жидкого состояния в твердое.

   Кристаллы правильной формы встречаются в природе довольно часто. Они наблюдаются у поваренной соли, кварца, льда (снежинок) и других неметаллических веществ. Монокристаллы металла можно вырастить только искусственно в специальных условиях. 

  Рис. 1. Основные типы элементарных ячеек, образующих кристаллические  решетки металлов, и положение кристаллографических плоскостей, наиболее плотно усеянных атомами. 

  Если  измерить в различных направлениях физические свойства монокристалла, то окажется, что они будут сильно зависеть от выбранного направления, т.е. монокристалл обладает ярко выраженной анизотропией свойств. При испытании образцов, вырезанных из кристалла меди, было обнаружено, что в зависимости от направления их вырезки прочность образцов изменялась от 140 до 350 МПа, а относительное удлинение — в пять раз; изменялись также электро- и теплопроводность и другие свойства. Это объясняется тем, что в зависимости от избранного направления вырезки образцы совпадали с той или иной кристаллографической плоскостью, имеющей разную плотность атомов.

  Известно, что атомы твердых тел совершают  тепловые колебания. С ростом температуры кристаллического тела амплитуда колебаний атомов возрастает и при температуре плавления настолько увеличивается, что разрушается кристаллическая решетка — металл плавится.

  Внешний вид металлического изделия не создает  впечатления о металле, как о кристаллическом теле, так как металл, затвердевающий в обычных условиях, превращается не в монокристалл, а в массу, состоящую из большого количества отдельных кристалликов, ориентированных по отношению друг к другу по-разному, называемую поликристаллом. Поэтому физические свойства металла в целом одинаковы во всех направлениях.

  В металлах всегда присутствует то или  иное количество посторонних примесей. При кристаллизации примеси мешают правильному росту кристаллов, и  форма их искажается. Такие кристаллы  обычно называют кристаллитами или  зернами.

Чтобы увидеть внутреннее строение металла, необходимо тщательно отполировать срез небольшого металлического образца, затем полированную поверхность протравить, т.е. обработать специально подобранными для данного металла химическими растворами. Растворы — смеси кислот или щелочей, взаимодействуя либо с самими кристаллами, либо с межкристаллитным веществом, выявляют структуру металла (рис. 2, а).  
 
 

  Рис. 2. Структура чистого металла и сплавов. 

  Значительно более сложное строение имеют  кристаллиты сплавов двух или нескольких металлов. Температура плавления отдельных металлов неодинакова, поэтому температура плавления смеси зависит от соотношения массы компонентов. При кристаллизации сплавов первыми начинают выпадать из расплава самые тугоплавкие частицы, в состав которых в большинстве своем входят металлы, имеющие наиболее высокую температуру плавления. На первичных частицах нарастают вторичные, менее тугоплавкие и т.д. Кристаллит развивается, как дерево — сначала ствол, затем ветви — все тоньше и тоньше. Поэтому такие кристаллиты называют дендритами (от латинского названия дерева). По мере кристаллизации в твердом состоянии оказывается все больше тугоплавких составляющих сплава, а жидкость, окружающая кристаллиты (межкристаллитное вещество), становится все более легкоплавкой, поэтому она твердеет в последнюю очередь. На (рис. 2, б), представлена микрофотография структуры сплава. Следовательно, межкристаллитное вещество, обволакивающее каждый кристаллит и спаивающее их все в одно целое, кристаллизуется в самую последнюю очередь. При нагревании, наоборот, межкристаллитное вещество плавится в первую очередь, затем, при повышении температуры, начинают переходить в жидкое состояние части кристаллитов в порядке, обратном кристаллизации, т.е., если чистые металлы плавятся при строго определенной температуре, сплавы плавятся в интервале температур.

  При сплавлении двух металлов могут быть три характерных случая:

    1. Оба металла неограниченно растворяются  друг в друге при любых температурах, например медь и никель, золото и серебро. Такие сплавы обладают высокой пластичностью и хорошо обрабатываются давлением в горячем и даже холодном состоянии, но плохо обрабатываются резанием — под резцом образуется длинная вьющаяся стружка, возникают налипы.

    2. Металлы растворяются друг в друге в твердом состоянии ограниченно, причем наиболее часто степень растворимости очень сильно зависит от температуры. Например, при постепенном добавлении к меди цинка он сначала целиком растворяется, а по достижении содержания цинка более 40 % образуются совершенно новые кристаллы — с другой решеткой, возникает новая фаза, т.е. сплав становится двухфазным (рис. 2, в). Физико-химические свойства фаз, как правило, весьма различны, имеют разную твердость, пластичность и т.д. У двухфазных сплавов обычно более низкие пластические свойства, чем у однофазных, они хуже обрабатываются давлением, но лучше резанием.

    3. Металлы, кроме растворов, образуют  химические соединения. Например, в сплаве меди с оловом Cu₃Sn химическое соединение выступает как самостоятельный компонент сплава, а его количество зависит от соотношения основных металлов.

  Химические  соединения, имеют очень высокую  твердость, превосходящую твердость основных компонентов в десятки раз. Известны химические соединения, например карбиды вольфрама, молибдена или титана, твердость которых приближается к твердости алмаза. Технологические свойства подобных сплавов зависят от количества интерметаллических включений, а главное — от их формы. Например, включения в виде игл и пластинок способствуют разрушению кристалла при деформации.

  Реальная  кристаллическая решетка металла  не является неподвижной конструкцией. Все составляющие ее частицы находятся  в непрерывном движении: движутся оторванные от атомов электроны, обеспечивая  межатомную металлическую связь и электрическую проводимость, около своих средних положений совершают колебательные движения атомы; время от времени тот или иной атом при превышении определенного энергетического уровня начинает перемещаться по кристаллу, нарушая правильность кристаллической решетки. Такие нарушения вызывают и "чужеродные" атомы — атомы примесей, которые внедряются в решетку при кристаллизации. Мельчайшие пузырьки газа, трещинки, включения неметаллических примесей ослабляют кристаллическую решетку, делают ее несовершенной, тем самым, изменяя и свойства металлов и сплавов.