Рубрика «ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ, СВОЙСТВАХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ И МЕТОДАХ ИХ ИСПЫТАНИЙ»

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ, СВОЙСТВАХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ И МЕТОДАХ ИХ ИСПЫТАНИЙ

При выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его состав, строение, физико-механические свойства, а также учитывать условия эксплуатации, воздействие механических напряжений и других факторов, влияющих на работоспособность и надежность машин.

Теги:

СВЕДЕНИЯ 0 КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Кристаллизация металлов. Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при его переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, имеют важное значение, так как в значительной степени определяют свойства металла. Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Д. К. Черновым. Кри- сталлизация состоит в следующем. В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоеди»яются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллиза- Рис. 2. Схема процесса кристаллизации металла ция состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров. На рис. 2 показан механизм кристаллизации. Сначала рост кристаллов не встречает препятствий (рис. 2, а), и растущие кристаллы сохраняют правильность строения кристаллической решетки. При дальнейшем движении кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся группы имеют уже неправильную форму, но сохраняют правильность строения внутри каждого кристалла. Такие группы кристаллов называют зернами (рис.2, б, в, г и д). На рис. 2, е показаны границы зерен различных размеров, что влияет на эксплуатационные свойства металла. Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару, при обработке мешает получению требуемого класса шероховатости поверхности. Размеры зерен зависят от различных факторов: природы самого металла и условий кристаллизации. Так как процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, то кривые охлаждения (рис. 3) строятся в координатах температура — время. На кривой 1 показан идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения. Сначала температура понижается равномерно — кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания падение температуры прекращается — на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что груп- Рис. 3. Кривые охлаждения при кристаллизации: / — теоретическая кривая кристаллизации металла; 2 — кривая кристаллизации металла с переохлаждением; 3 — кривая кристаллизации неметалла ,пировка атомов идет с выделением тепла. По окончании затвердевания температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре. Практически кристаллизация протекает несколько иначе, так как часто имеет место переохлаждение, т. е. металл при температуре затвердевания остается жидким, и кристаллизация начинается при более низкой температуре. Разница между идеальной и истинной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения. Кривая 2 соответствует процессу кристаллизации с переохлаждением. Кривая 3 характерна для кристаллизации неметаллов: нет четко выраженной температуры кристаллизации, затвердевание происходит постепенно. Степень переохлаждения является важнейшим фактором, определяющим величину зерна. При большой скорости охлаждения степень переохлаждения больше и зёрна мельче. Так, при отливке тонкостенных изделий получается мелкозернистая структура, при отливке толстостенных — крупнозернистая. Вторичная кристаллизация (аллотропия). Некоторые металлы: железо, кобальт, оково и др. — имеют в твердом состоянии две и более кристаллических решеток при неодинаковых температурах. Существование одною Рис. 4. Аллотропические превращения в железе и того же металла в разных кристаллических формах называют аллотропией, а процесс перестройки одного вида атомов кристаллической решетки в другой — аллотропическим превращением. Аллотропные формы, в которые кристаллизуется металл, обозначают буквами а, р, у, 8 и т. д. Так, при температуре 1539° С железо из жидкого состояния переходит в твердое и образуется б-железо с объемно-центрированной кубической решеткой (рис. 4); между 1390 и 910° С устойчиво у-железо немагнитное с гранецентрированной кубической решеткой, которая при дальнейшем охлаждении не перестраивается. При температуре 768° С железо из немагнитного р-железа становится магнитным а-железом. Эти модификации имеют важное практическое значение для термической обраб
отки и подробно рассматриваются в гл. 4. Методы изучения структуры металлов. Исследование структур металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновского, спектрального, термического, а также дефектоскопии (рентгеновской, магнитной, ультразвуковой). Методом макроанализа изучается макроструктура, т. е. структура, видимая невооруженным глазом или с помощью лупы, при этом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри и т. д., а также неравномерность распределения примесей в металле, и расположение волокна в поковках, прокате и т. д. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам. Макрошлиф — это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, протравлена и рассматривается при помощи лупы. Микроанализ выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, рассматриваемым под микроскопом при увеличении до 2000х, а в электронных микроскопах — до 25 000х. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, микродефекты, лежащие под поверхностью, качество термической обработки. Зная микроструктуру, можно объяснить причины неудовлетворительности свойств металла, не производя их исследование. С помощью рентгеновского анализа изучают структуру кристаллов, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ позволяет обнаружить дефекты, не разрушая металла. Широко применяют для исследования структуры металла гамма-лучи, проникающие в изделие на значительно большую глубину, чем рентгеновские. Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (стали, никеле и др.) на глубине до 2 мм (непровар в сварных швах, трещины и т. д.). Ультразвуковым методом осуществляются эффективный контроль качества изделий и заготовок любых металлов на большой глубине. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поковок, проката и других изделий при необходимости сохранения целостности изделий.

Теги: , , , ,

ЧЕРНЫЕ И ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Металлами называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов также ковкость и способность свариваться. Все металлы и их сплавы в зависимости от основного компонента делят на две большие группы: черные и цветные. К черным металлам относят железо и сплавы на его основе, содержащие углерод и другие элементы. Эти сплавы носят название чугунов и сталей. К этой же группе обычно относят ферросплавы. Вся современная индустрия базируется в основном на применении черных металлов. Из цветных металлов важное промышленное значение имеют: медь, алюминий, магний, свинец, цинк, олово, титан, никель, молибден, кобальт, вольфрам, тантал и др. Цветные металлы и сплавы отличаются ог черных металлов рядом таких физико-химических свойств, которые делают их необходимыми в технике. Например, медь и алюминий обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью и применяются в электротехнической промышленности. Олово обладает высокой коррозионной стойкостью против многих органических кислот. Олово применяют для получения белой жести, лужения пищевых котлов, а в сплавах со свинцом с добавками меди и других примесей используют как антифрикционный, или подшипниковый сплав, называемый баббитом. Современная передовая техника использует металлы, которые раньше не находили практического применения: галлий, бериллий, цирконий, индий и ряд других. Металлы в технике чаще применяются не в чистом виде, а в соединении с другими металлами и неметаллами, т. е. в виде сплавов, обладающих более ценными свойствами, чем составляющие их металлы.

Теги: , , , , , , , ,

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОЗ

Все твердые вещества по взаимному расположению атомов делят на аморфные и кристаллические. Аморфными называются твердые вещества, атомы которых в пространстве расположены хаотично. К аморфным относятся смола, клей, канифоль, стекло и др. Кристаллическими называются твердые вещества, в которых атомы (ионы, молекулы) располагаются в пространстве в строгом повторяющемся порядке, образуя атомно-кристаллическую решетку. Все металлы — вещества кристаллического строения. Кроме металлов кристаллическое строение имеют соль, сахар, алмаз и другие вещества. В промышленных металлах наиболее распространенными являются следующие кристаллические решетки (рис. 1): кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная. В элементарной кубической объемно-центрированной решетке находится девять атомов (восемь в вершинах куба и один в центре). Такую решетку имеют: железо при температуре до 900 и выше 1400° С, хром, вольфрам, ванадий и другие металлы. В кубической гранецентри-рованной решетке — 14 атомов (восемь в вершинах куба и по одному в центре каждой грани). Такую решетку имеют: железо при температуре выше 900° С, медь, никель, алюминий и другие металлы. В гексагональной решетке, имеющей форму шестигранной призмы, — 17 атомов (12 в вершинах, 2 в центре оснований и 3 внутри призмы). Данная решетка имеется у магния, цинка и других металлов. Рис. 1. Пространственные кристаллические решетки: а — кубическая объемно-центрированная; б — кубическая гранецентрированная; в — гексагональная Возможны и другие формы кристаллических решеток. Атомы в решетке находятся на определенных расстояниях друг от друга. Расстояния эти очень малы и вычисляются в ангстремах (А); 1 А = 1СГ8 см. Расположение атомов, междуатомные расстояния, насыщенность атомами — все это влияет на качество металлов. Особенность расположения атомов в кристаллах и определяет совокупность свойств металлов, отличающих их от неметаллов: металлический блеск, плавкость, теплопроводность, электропроводность, обрабатываемость и анизотропность, т. е. различие свойств в разных плоскостях кристаллической решетки.

Теги: , , , , , ,