Металлами называются вещества, атомы которых располага­ются в определённом геометрическом порядке, образуя при этом кристаллы. Им присущ специфический металлический блеск. Кроме того, металлы обладают хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Это дает возможность обрабатывать их под давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение). Металлы обладают хорошими литейными свой­ствами, а также свариваемостью, способны работать при низких и высоких температурах. Металлические изделия и конструкции легко соединяются с помощью болтов, заклепок и сварки. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют боль­шую плотность, при действии различных газов и влаги коррози­руют, а при высоких температурах значительно деформируются.

Существует такое определение как «чистый металл» оно весьма условно. Так как любой чистый металл содержит примеси, а потому его следует рассматривать как сплав. Под термином «чистый металл» всегда понимается металл, содержащий примеси 0,01–0,001 %. 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 высокой пластичностью и низкой прочностью, что не обеспечивает требуемых физико-химических и технологических свойств. Поэтому их применение в строительстве и технике в качестве конструкционных материалов сильно ограничено. Наиболее широко используют сплавы, обладающие более высокой проч­ностью, твердостью и износостойкостью и т. д.

Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Так, например, прочность технического железа составляет примерно 250 МПа, при введении в железо углерода в количестве 0,9 мас. % прочность повышается до  980 МПа. Все металлы и образованные из них сплавы делят на две группы: черные и цветные [11].

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны, остальные металлы являются цветными. В стро­ительстве в основном применяют черные металлы – чугуны и стали для каркасов зданий, мостов, труб, кровли, арматуры в бетоне и для других металлических конструкций и изделий.

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на осно­ве алюминия, меди, цинка, титана. Цветные металлы являются более дорогостоящими и дефицитными.

Чугун получают в ходе доменного процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов коксом при высокой температуре. Процесс восстановления железа оксидом углерода в верхней части доменной печи можно представить по обобщенной схеме: Fe₂O₃ > Fe₃O₄ > >FeO > Fe. Опускаясь в нижнюю часть печи, расплавленное железо соприкасается с коксом и пре­вращается в чугун.

Чугуны в зависимости от состава и структуры подразделяются на серые (углерод в виде цементита и свободного графита) и бе­лые (углерод в виде цементита). В зависимости от формы графита и условий его образования различают: серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Стали можно подразделить на две основные группы – углеродистые и легированные (рис. 1).

Углеродистые стали – основной конструкционный материал, который используется в различных областях промышленности. Они дешевле легированных и проще в производстве. В углеродистой стали свойства зависят от количества углерода, поэтому эти стали классифицируются на низкоуглеродистые, средне- и высокоугле­родистые.

Легированные стали содержат специально вводимые элементы для получения заданных свойств. По степенилегированости стали подразделяются на низколегированные, средне- и высоколегиро­ванные.

Классификация сталей по качеству основывается на содержа­нии вредных примесей серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкци­онную и сталь высококачественную.

По назначению стали подразделяются на три группы: конструк­ционные, инструментальные и с особыми свойствами. Конструк­ционные углеродистые стали содержат углерод в количестве 0,02 – 0,7 мас.%, к ним относятся и строительные стали, содержащие до 0,3 мас.% углерода. Низкое содержание углерода обусловлено тем, что строительные конструкции соединяются сваркой, а углерод ухуд­шает свариваемость. Стали, содержащие углерод в пределах 0,7 – 1,5 мас.%, используют для изготовления режущего и ударного инст­румента. К группе сталей и сплавов с особыми свойствами отно­сятся коррозионностойкие, нержавеющие и кислотоупорные, жа­ропрочные и жаростойкие стали и т. д.

 Основные типы кристаллических решеток

 

Строение кристаллической решетки описывается элементарной ячейкой. Элементарная ячейка – это наименьший  объем кристалла, дающий представление о строении всего кристалла. Характеристики ячейки – ребра a,b, c и углы между ними α, β, γ; отрезки a, b, c называются периодами решетки.

В металлах атомы располагаются в строгом порядке, как атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве – атомнокристаллическую решетку (рис. 2). Линии на этих схемах являются услов­ными; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки  с большой частотой. Типы кристаллических решеток различны. Наиболее часто встречаются следующие решетки: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональ­ная плотноупакованная. Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приве­дены на рис. 3. В ячейке кубической объемно-центрированной решетки атомы расположены в вершинах куба и в её центре; такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы расположены в вер­шинах и в центре каждой грани куба; такой решеткой обладают алю­миний, никель, медь, свинец и др.

 

 

Рис. 3. Элементарные ячейки кристаллических решеток: а – кубическая объемно-центрированная; б – кубическая гранецентрированная; в – гексагональная

В ячейке гексагональной решетки  атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В реальном металле кристалли­ческая решетка состоит из огромного количества ячеек.

 

1.2.2. Реальное строение металлических кристаллов

 

Необходимо знать, что порядок в расположении ато­мов (упаковка) имеется не по всему объему кри­сталла (кристаллической решетки).  В реальности кристаллы в структуре металла имеют структурные несовершенства: точечные, линейные иповерхностные.

 

Точечные несовершенства – это дефекты, которые в трёх пространственных измерениях (X, Y, Z) малы, при этом их размеры не превышают нескольких атомных диаметров.       Известно, что атомы находятся в колебательном движении, чем выше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Большинство атомов металла в кристаллической решетке обладает одинаковой (средней)энергией и колеблется с одина­ковой амплитудой, а отдельные атомы имеют энергию, значи­тельно превышающую сред­нюю энергию. Такие атомыобладают не только большей амплитудой колебаний, но и способны перемещаться из одного места расположения в другое. Как правило, наиболее легко передвигаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность (на­пример, атом 1, рис. 4,а). Участок, где находился такой атом (свободный узел), назы­вается вакансией, которая не остается свободной. Через некоторое время в нее перемещается один из соседних атомов из более глубокого слоя (например, атом 2, рис. 4,б), а поки­нутый им узел также становится  вакансией; затем перемещается, например, атом 3 (рис. 4,в) и т. д. Таким образом, вакансия пере­ме­щает­­ся в глубь кристалла. Как видно из рис. 4,г,вакансия искажает кристаллическую решетку. Количество вакан­сий увеличивается с повышением температуры, и они чаще переходят из одного узла в другой. Вакансии играют основную роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах.

Точечные несовершенства появляются и как результат присутствия атомов примесей. Атомы примесей или замещают атомы основного металла в кристалле решетки, или располагаются внутри кристаллической решетки искажая её.

Линейные несовершенства называются дислокациями. Они имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Имеются различные виды дислокаций, одной из которых является краевая (линейная) дислокация. 

В идеальном кристалле происходит сдвиг на одно межатомное расстояние одной части кристалла относительно другой, вдоль ка­кой-либо атомной плоскости на участке ADEF (рис. 5,а). Как видно, влево сдвинулась только часть кристалла, находящаяся правее плоскости ABCD. При таком сдвиге число рядов ато­мов в верхней части кристал­ла на один больше, чем в ниж­ней (рис. 5,б). Плоскость ABCD (рис. 5,а) представ­ляет собой в данном случае как бы лишнюю атомную пло­скость (называемую экстра-плоскостью), вставленную в верхнюю часть кристалла (АВ, рис. 5,б). Линия AD (рис. 5,а), перпендикулярная направлению сдвига, являющаяся краемэкстраплоскости, назы­вается краевой или линейной дислокацией, длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Особым свойством дислокаций является их подвижность. Объясняется это тем, что кристаллическая решетка в зоне дисло­каций упруго искажена, атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного положения в кристаллической решетке и поэтому атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равно­весное положение.

Необходимо знать, что дислокации рождаются в процессе кри­стал­ли­зации, пластической деформации, термической обра­ботки и т.д.

 

Они присутствуют в металлических кристаллах в огромном количестве (10⁶–10¹² см^-2). Большое влияние на механические и многие другие свойства металлов и сплавов оказывают не только плотность, но и расположение дислокаций в объёме.

Поверхностными несовершенствами яв­ляются границы зерен и блоков металла. Они малы только в одном измерении. На границе между зер­нами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Зернаразориентированы, повернуты друг относительно друга на несколько градусов. По границам зерен скапливаютсядислокации и вакансии. Зерно состоит из большого числа разориентированных на очень небольшие углы (десятые доли градусов) областей, называемых субзернами или блоками (рис. 6). Границы блоков представляют собой дислокации, разделяющие зерно на блоки.