Лекция 4. ( Вариант 2) Структура и свойства металлов и сплавов

ВВЕДЕНИЕ

        Металловедением называется наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях.          Все металлы и сплавы принято делить на две группы. Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы - цветными.         Наибольшее применение нашли черные металлы. На основе железа изготовляется не менее 90-95% всех конструкционных и инструментальных материалов. Широкое распространение железа и его сплавов связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью, высокими технологическими и механическими свойствами. Стоимость цветных металлов во много выше стоимости железа и его сплавов.         Современное машиностроение характеризуют непрерывно растущая энергонапряженность, а также тяжелые условия эксплуатации машин (высокий вакуум, низкие и высокие температуры, агрессивные среды и т.д.). Такие условия работы машин предъявляют к материалам особые требования. Для удовлетворения этих требований создано много сплавов на основе различных металлов.         В современной технике широко применяют стали, обеспечивающие высокую конструктивную прочность, и сплавы, которые остаются прочными при высоких температурах, вязкими при температурах, близких к абсолютному нулю, обладающие высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах или другими физико-химическими свойствами.         В специальном машиностроении все шире применяют так называемые композиционные материалы, сплавы с памятью форм.

4.1. Кристаллическое строение металла

1. Общая характеристика и структурные методы исследования металлов

        Все металлы и металлические сплавы - тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличии от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.         Металлы (если их получают обычным способом) представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10^-1-10^-5см), различно ориентированных по отношению друг другу кристаллов.         В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами. Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств

• высокими теплопроводностью и электрической проводимостью;

• положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления; с повышением температуры электрическое сопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладает сверх -проводимостью;

• термоэлектронной эмиссией, т.е. способность испускать электроны при нагреве;

• хорошей отражательной способностью: металлы не прозрачны и обладают металлическим блеском;

• повышенной способностью к пластической деформации.

        Наличие этих свойств и характеризует так называемое металлическое состояние веществ. Наиболее широкое применение имеют сплавы. Сплавы получают сплавлением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Они обладают характерными свойствами, присуще металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплав может состоять из двух и большего числа компонентов.         В металловедение широко используют понятие "система", "фаза", "структура". Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой. Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных частей поверхностями раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.         Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.         Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении в 30-40 раз). При этом на специально изготовленных шлифах можно различить форму и расположение зерен в литом металле, дефекты, нарушающие сплошность металла, химическую неоднородность сплава. И микроструктуру (строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях). При этом на специально изготовленных микрошлифах различают размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их размер и форму.         Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе - оптическом или электронном. Разрешающая способность оптического микроскопа, т.е. минимальная величина объекта (детали структуры), которая различима с его помощью, не превышает 0,2 мкм (200нм). Полезное увеличение в оптическом микроскопе достигает примерно 2000 раз.         Разрешающая способность электронных микроскопов значительно выше оптических. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волн ((0,04-0,12) 10^-1 нм), дает возможность различать детали изучаемого объекта размером до 0,2-0,5 нм.         Наибольшее распространение нашли просвечивающие электронные микроскопы ПЭМ, в которых поток электронов проходит через излучаемый объект, представляющий собой тонкую фольгу. Получаемое изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте.         Очень большое применение получили растровые электронные микроскопы (РЭМ), в которой изображение создается благодаря вторичной эмиссии электронов, получаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов.         В последние годы для оценки металлургического качества металла, закономерностей процесса разрушения, влияние структурных, технологических и других факторов на разрушение широко применяют метод фрактографии, микрофрактографии - область знания о строении излома.         Под изломом понимают поверхность, образующуюся в результате разрушения металла. Вид излома определяется условиями нагружения, кристаллографическим строением и микроструктурой металла, формируемой технологии ее выплавки, обработки давлением, термической обработки, температурой и средой, в которой работает конструкция.         Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на дифракции рентгеновских лучей с очень малой длиной волны (0,02-0,2 нм) рядами атомов в кристаллическом теле         В металловедении все шире применяют метод рентгеноспектрального микроанализа (РСМА), для изучения распределения примесей и специально введенных элементов в сплавах. Метод РСМА определяет химический состав микрообластей на металлографическом шлифе, при этом достигает разрешение порядка микрометров.         Для изучения металлов и сплавов нередко используют физические методы исследования (тепловые, объемные, электрические, магнитные). В основу этих исследований положены взаимосвязи между изменениями физических свойств и процессами, происходящими в металлах и сплавах при их обработке или в результате тех или иных воздействий ( термических, механических и других). Наиболее часто применяют дифференциальный термический анализ (построение кривых охлаждения в координатах температура-время) и дилатометрический метод, основанный на изменении объема при фазовых превращениях. Для ферромагнитных материалов применяется магнитный анализ.