Металлические материалы

1Общие сведения

Металлы, как материалы, обладают комплексом ценных для строительной техники свойств - большой прочностью, пластично­стью, свариваемостью, выносливостью; способностью упрочняться и улучшать другие свойства при термомеханических и химических воздействиях.Этим обуславливается их широкое применение в строительстве и других областях техники. В чистом виде металлы, вследствие недостаточной прочности, твердости и высокой пластич­ности применяются редко. Главным образом они используются в виде сплавов с другими металлами и неметаллами, например, углеро­дом.Железо и его сплавы (сталь С до 2,14%,чугунС > 2,14%)назы­вают черными металлами, остальные (Be, Mg, Al, Ti, Cr, Мn. Ni, Cu, Zn и др.) и их сплавы - цветными. Наибольшее применение в строительстве имеют черные металлы.Стоимость их значительно ниже цветных. Однако последние обладают рядом ценных свойств: высокой удельной прочностью, пластичностью, коррозионной стой­костью и декоративностью, расширяющими области их применения в строительстве, в первую очередь архитектурно-строительных деталей и конструкций из алюминия.

Сырьем для получения черных металлов служат руды железа, представленные минералами класса оксидов - магнетитом (FeFe₂O₄), гематитом (Fe₂O₃), хромитом (FeCrO₄) и др. Для производства цвет­ных металлов используются бокситы; сульфидные и карбонатные руды меди, никеля, цинка и др.

2 Классификация металлов и сплавов.

- Черные металлы и сплавы

• сталь

• чугун

- Цветные металлы и сплавы

• редкие (титан, вольфрам, молибден, цирконий и др.)

• легкие

- магний

- алюминий (дюралюминий, силумин)

- тяжелые

- олово

- цинк

- ртуть

- свинец

- медь (бронза, латунь)

3 Атомно – кристаллическое строение металлов

Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть аморфная или кристаллическая.

Аморфное состояние (греч. — бесформенный) — состояние твёрдого вещества, в котором, в отли­чие от кристаллического. состояния, молекулы располо­жены беспорядочно и вещество изотропно, т. е. имеет одинаковые физические свойства по всем направлениям; кро­ме того, отсутствует четко выраженная температура плавления. Аморфные тела бывают природные (ян­тарь и др. смолы) и искусственные, (стекло, пластмассы).

Особенностью кристаллического вещества является опреде­ленная температура плавления (при постоянном давлении) и оп­ределенная геометрическая форма кристаллов каждой его моди­фикации. Свойства монокристаллов неодинаковы в разных направле­ниях. Это явление анизотропиияв­ляется следствием особенностей внутреннего строения кристал­лов.

Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества.

Все металлы и сплавы при переходе из жидкого состояния в твердое образуют кристаллическую структуру.

Установлено, что атомы всех металлов находятся в определенном порядке, образуя пространственную решетку. Таких кристаллических систем установлено семь.

Рис. 1. Кристаллические системы:

а — кубическая, б — тетрагональная, в —гексагональная, г —ромбическая, д —ромбоэдрическая, е —моноклинная, ж - триклинная.

Атомы в них расположены закономерно в узлах кристаллической решетки. Связь в металлах и сплавах электростатическая, обусловленная силами притяжения и отталкивания между положительно заряженными ионами (атомами) в узлах кристаллической решетки и отрицательными. Атомы в решетке стремятся занять положение, соответствующее минимуму ее энергии, образуя плотнейшие упаков­ки - кубическую объемно - и гранецентрированную и гексагональную. В кубической объемно-центрированной ре­шетке кристаллизуются К, Na,Li, α-Fe,Mo,W,V,Cr,Baи др.; куби­ческой гранецентрированной -Ni,Ag,Au,Pt,Cu, γ-Fe; в гексагональной -Mg,Cd,Ru,Be, α-Ti, α-Znи др.

Многие металлы в зависимости от температуры претерпевают структурные изменения кристалличе­ской решетки. Так желе­зо при температуре ниже 910°С и выше 1392°С имеет объемно-центрированную упаковку ато­мов и обозначается α-Fe; в промежутке ука­занных температур кри­сталлическая решетка железа перестраивается в гранецентрированную и обозначается γ-Fe

Перекристаллизация сопровождается выделе­нием тепла при охлажде­нии и поглощением при нагревании.

Примеры элементарных кристаллических решеток метала: а - объемноцентрированная кубическая, б - гранецентрированная кубическая, в – гексагональная.

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоя­щие из большого числа мелких кристаллов неправильной формы. В отличие от кристаллов правильной формы их называют кристаллита­ми или зернами. Кристаллиты различно ориентированы, поэтому во всех направлениях свойства металлов более или менее одинаковы, т.е. поликристаллические тела изотропны. Однако при одинаковой ориентации кристаллитов такой мнимой изотропности наблюдаться не будет. Кристаллическая решетка металлов и сплавов далека от идеального строения. В ней имеются дефекты - вакансии и дислока­ции.