Типи кристалічних граток

Ім'я файлу: Л.doc
Розширення: doc
Розмір: 456кб.
Дата: 08.02.2024
скачати
Пов'язані файли:
ПУСТЕЛЯ САХАРА.docx

Типи кристалічних граток. Тверді тіла поділяють на кристалічні та аморфні. Кристалічні тіла при нагріванні залишаються твердими до певної температури (температури плавлення), при якій вони переходять в рідкий стан. Аморфні тіла при нагріванні розм'якшуються у великому температурному інтервалі; спочатку вони стають в'язкими і лише потім переходять у рідкий стан.
Усі метали і їхні сплави - тіла кристалічні. Металами називають хімічні елементи, характерними ознаками яких є непрозорість, блиск, хороша електро-і теплопровідність, пластичність, а для багатьох металів також здатність зварюватися .. Для металів характерно те, що, вступаючи в хімічні реакції з елементами, що є неметалами, вони віддають останнім свої зовнішні, валентні електрони. Це пояснюється тим, що у атомів металу зовнішні електрони неміцно пов'язані з його ядром. Метали мають на зовнішніх оболонках всього 1-2 електрона, тоді як у неметалів таких електронів багато (5-8).
Чисті хімічні елементи металів (наприклад, залізо, мідь, алюміній і ін) можуть утворювати більш складні речовини, до складу яких можуть входити декілька елементів-металів, часто з домішкою помітних кількостей елементів-неметалів. Такі речовини називають металевими сплавами. Прості речовини, що утворюють сплав, називають компонентами сплаву.
Для опису кристалічної структури металів користуються поняттям кристалічної решітки. Кристалічна решітка - це уявна просторова сітка, у вузлах якої розташовуються атоми (іони), що утворюють метал. Частинки речовини (іони, атоми), з яких побудований кристал, розташовані в певному геометричному порядку, який періодично повторюється в просторі. На відміну від кристалів в аморфних тілах (скло, пластмаси) атоми розташовуються в просторі безладно, хаотично.
Формування кристалічної решітки в металі відбувається наступним чином. При переході металу з рідкого у твердий стан відстань між атомами скорочується, а сили взаємодії між ними зростають. Характер взаємодії атомів визначається будовою їх зовнішніх електронних оболонок. При зближенні атомів електрони, що знаходяться на зовнішніх оболонках, втрачають зв'язок зі своїми атомами внаслідок відриву валентного електрона одного атома позитивно зарядженим ядром іншого і т. д. Відбувається утворення вільних електронів, тому що вони не належать окремим атомам. Таким чином, у твердому стані метал представляє собою структуру, що складається з позитивно заряджених іонів, омиваних вільними електронами.
Зв'язок в металі здійснюється електростатичними силами. Між іонами і вільними електронами виникають електростатичні сили тяжіння, які стягують іони. Таку, зв'язок між частинками металу називають металевої.
Сили зв'язку в металах визначаються силами відштовхування і силами тяжіння між іонами і електронами. Іони знаходяться на такій відстані один від іншого, при якому потенційна енергія взаємодії мінімальна. У металі іони розташовуються в певному порядку, утворюючи кристалічну решітку. Таке розташування іонів забезпечується взаємодією їх з валентними електронами, які зв'язують іони в кристалічній решітці.
Типи кристалічних граток у різних металів різні. Найбільш часто зустрічаються решітки:
об'ємно-центрована кубічна (ОЦК) - α-Fe, Cr, W, гранецентрированная кубічна (ГЦК) - γ-Fe, A1, Сі та
гексагональна плотноупакованной (ГПУ) - Mg, Zn і ін
Найменший обсяг кристала, що дає уявлення про атомну структуру металу в будь-якому його обсязі, називають елементарних кристалічних осередком (мал.).

Рис. I. Елементарні комірки кристалічних граток:
I - кубічна об'ємно-центрована (α-залізо), II - кубічна гранецентрированная (мідь), 111 - гексагональна плотноупакованной; а і с - параметри грат
Кристалічна решітка характеризується її параметрами, наприклад довжиною ребра куба для ОЦК і ГЦК, яка становить для різних металів 2,8? 6 * 10 ^-8 см.
Дефекти в кристалах. У кристалах завжди є дефекти (недосконалості) будови, зумовлені порушенням правильного розташування атомів кристалічної решітки. Дефекти кристалічної будови поділяють за геометричними ознаками на точкові, лінійні і поверхневі.
Атоми роблять коливальні рухів біля вузлів решітки, і з підвищенням температури амплітуда цих коливань збільшується. Більшість атомів даної кристалічної решітки мають однакову (середню) енергію і коливаються при даній температурі з однаковою амплітудою. Однак окремі атоми мають енергією, значно більшою середньої енергії, і переміщаються з одного місця в інше. Найбільш легко переміщуються атоми поверхневого шару, виходячи на поверхню. Місце, де знаходився такий атом, називається вакансією (рис. 2, а).

Рис. 2. Дефекти в кристалах:
а - вакансія, б - впроваджений атом, в крайова лінійна дислокація, г - неправильне розташування атомів на кордоні зерен 1 і 2
На це місце через деякий час переміщається один з атомів сусіднього шару і т. д. Таким чином вакансія переміщається в глиб кристалу. З підвищенням температури кількість вакансій збільшується і вони частіше переміщаються з одного вузла в інший. У дифузійних процесах, що протікають в металах, вакансії відіграють визначальну роль. До точковим дефектів відносять також атом, впроваджений в міжвузля кристалічної решітки (рис. 2, б), і заміщений атом, коли місце атома одного металу заміщується в кристалічній решітці іншим, чужорідним атомом. Точкові дефекти викликають місцеве спотворення кристалічної решітки.
Лінійні дефекти є іншим найважливішим видом недосконалості кристалічної решітки, коли в результаті зсуву на одне міжатомну відстань однієї частини решітки щодо іншої уздовж будь-якої площини число рядів атомів у верхній частині решітки на один більше, ніж у нижній. У даному випадку у верхній частині решітки з'явилася як би зайва атомна площину (екстраплоскость). Край екстраплоскості, перпендикулярний напрямку зсуву, називається крайової, або лінійною, дислокацією (рис. 2, в), довжина якої може досягати багатьох тисяч міжатомних відстаней. Шириною дислокації вважають відстань від центру дефекту до місця решітки без спотворення. Ширина дислокації мала і становить декілька атомних відстаней.
Кристалічна решітка у зоні дислокації пружно спотворена, оскільки атоми в цій зоні зміщені щодо їх рівноважного стану. Для дислокації характерна їх легка рухливість. Це пояснюється тим, що атоми, що утворюють дислокацію, прагнуть переміститися в рівноважний стан. Дислокації утворюються в процесі кристалізації металів (див. гл.1, § 2), а також при пластичній деформації, термічній обробці і інших процесах.
Поверхневі дефекти являють собою межі розділу між окремими кристалами (рис. 2, м ). На кордоні розділу атоми кристала розташовані менш правильно, ніж у його обсязі. Крім того, по межах розділу скупчуються дислокації і вакансії, а також концентруються домішки, що ще більше порушують порядок розташування атомів. При цьому самі кристали разоріентіровани, тобто можуть бути повернені щодо один одного на десятки градусів. Міцність металу може або збільшуватися внаслідок спотворень кристалічної решітки поблизу кордонів, або зменшуватися через наявність домішок і концентрації дефектів. Дефекти в кристалах істотно впливають на властивості металів.
Анізотропія кристалів. Неоднаковість фізичних властивостей середовища в різних напрямках називають анізотропією. Анізотропія кристалів обумовлена розрізняємо щільності упаковки атомів в решітці в різних напрямках. Всі кристали анізотропні, а аморфні тіла (скло, смола) ізотропні, тобто мають однакову щільність атомів в різних напрямках.
Анізотропія властивостей важлива при використанні монокристалів - одиночних кристалів, частки яких розташовані послідовно по всьому їх об'єму. Монокристали мають правильну кристалічну огранювання (у формі природних багатогранників), анізотропні по механічним, електричним та іншим фізичним властивостям.
Метали і сплави, застосовувані в техніці, зазвичай мають полікристалічну структуру, тобто складаються з безлічі дрібних і різна орієнтованих кристалів, які не мають правильної кристалічної ограновування і званих кристаллитами (або зернами). У кожному зерні полікристала спостерігається анізотропія. Однак внаслідок різноманітної, безладної орієнтування кристалографічних площин в різних зернах полікристали може мати однакові властивості за різними напрямами та не виявляти анізотропію (коли розміри зерен значно менше розмірів підлогу і кристала і кількість їх дуже велике). Ця обставина в багатьох випадках дозволяє розглядати полікристалічні тіло як подібне ізотропному, незважаючи на анізотропію властивостей окремих складових його зерен.

КРИСТАЛІЗАЦІЯ
Перехід з рідкого стану в твердий (кристалічний) називають кристалізацією. Процеси кристалізації залежать від температури і протікають у часі, тому криві охолодження будуються в координатах температура - час (рис. 3). Теоретичний, тобто ідеальний процес кристалізації металу без переохолодження протікає при температурі Т ₅ (рис. 3). При досягненні ідеальної температури затвердіння Т ₅ падіння температури припиняється. Це пояснюється тим, що перегрупування атомів при формуванні кристалічної решітки йде з виділенням тепла (виділяється прихована теплота кристалізації). Кожен чистий метал (не сплав) кристалізується при строго індивідуальної постійній температурі. Після закінчення затвердіння металу температура його знову знижується.

Рис. 3. Криві кристалізації металу при охолодженні з різною швидкістю
Практично кристалізація протікає при нижчій температурі, тобто при переохолодженні металу до температур Tn, Tn _1, Tn ₂ (наприклад, криві 1, 2). Ступінь переохолодження (ΔT = T _s -Tn) залежить від природи і чистоти металу до швидкості охолодження. Чим чистіше рідкий метал, тим він більш схильний до переохолодження. При збільшенні швидкості охолодження ступінь переохолодження зростає, а зерна металу стають дрібніше, що покращує його якість. Для більшості металів ступінь переохолодження при кристалізації у виробничих умовах складає від 10 до 30 ° С. При великих швидкостях охолодження вона може досягати сотень градусів.
Процес кристалізації складається з двох стадій: зародження - кристалів (зародків або центрів кристалізації) і росту кристалів з цих центрів. При переохолодженні сплаву нижче Tn на багатьох ділянках рідкого металу (рис. 4, а, б) утворюються здатні до зростання кристалічні зародки.

Рис. 4. Послідовні етапи процесу кристалізації металу
Спочатку утворилися кристали ростуть вільно і мають більш-менш правильну геометричну форму (рис. 4, в, г, д). Потім при зіткненні зростаючих кристалів їх правильна форма порушується, тому що в цих ділянках зростання граней припиняється. Зростання кристала триває лише у тих напрямках, де є вільний доступ рідкого металу. У результаті кристали, що мали спочатку геометрично правильну форму, після затвердіння отримують неправильну форму, їх називають кристаллитами або зернами (рис. 4, е).
Величина зерен залежить від числа центрів кристалізації і швидкості росту кристалів. Чим більше центрів кристалізації, тим дрібніше зерно металу.
Величина зерен, які виникають при кристалізації, залежить не тільки від кількості мимовільно зароджуються центрів кристалізації, але також і від кількості нерозчинних домішок, завжди є в рідкому металі. Такі нерозчинні домішки є готовими центрами кристалізації. Ними є окисли (наприклад, Al ₂ O _3), нітриди, сульфіди і інші з'єднання. Центрами кристалізації в даному металі або сплаві можуть бути тільки такі тверді частинки, які співмірні з розмірами атомів основного металу. Кристалічна решітка таких твердих частинок повинна бути близька за своєю будовою і параметрами решітці кристалізується металу. Чим більше таких частинок, тим дрібніше будуть зерна закристалізовувався металу.
На утворення центрів кристалізації впливає і швидкість охолодження. Чим вище швидкість охолодження, тим більше виникає центрів кристалізації і, отже, дрібніше зерно металу.
Щоб отримати дрібне зерно, створюють штучні центри кристалізації. Для цього в розплавлений метал (розплав) вводять спеціальні речовини, звані модифікаторами. Модифікування виливків проводять введенням в розплав добавок, які утворюють тугоплавкі сполуки (карбіди, оксиди). При модифікуванні, наприклад, стали застосовують алюміній, титан, ванадій; алюмінієвих сплавів - марганець, титан, ванадій.
Будова металевого зливка. Форма зростаючих кристалів визначається не тільки умовами їх торкання один з одним, але і складом сплаву, наявністю домішок і режимом охолодження. Зазвичай механізм утворення кристалів носить дендритних (деревоподібний) характер (рис. 5).

Малюнок 5. Схема дендритного росту кристалу
Дендритная кристалізація характеризується тим, що зростання зародків відбувається з нерівномірною швидкістю. Після утворення зародків їх розвиток іде в тих площинах і напрямах грати, які мають найбільшу щільність упаковки атомів і мінімальна відстань між ними. У цих напрямках утворюються довгі гілки майбутнього кристала-так звані осі (1) першого порядку (рис. 5). У подальшому від осей першого порядку починають рости нові осі (2) - осі другого порядку, від осей другого порядку-осі (3) - третього порядку тощо. У міру кристалізації утворюються осі більш високого порядку, які поступово заповнюють всі проміжки, раніше зайняті рідким металом.
Розглянемо реальний процес отримання сталевого злитка. Сталеві зливки отримують охолодженням у металевих формах (виливницях) або на установках безперервного розливання. У изложнице сталь не може затвердіти одночасно у всьому об'ємі через неможливість створення рівномірної швидкості відводу тепла. Тому процес кристалізації сталі починається у холодних стінок і дна виливниці, а потім поширюється всередину рідкого. Металу.
При зіткненні рідкого металу зі стінками виливниці 1 (рис. 6) в початковий момент утворюється зона дрібних равноосная кристалів 2. Так як обсяг твердого металу менше рідкого, між стінкою виливниці і застиглим металом утворюється повітряний прошарок і сама стінка нагрівається від зіткнення з металом, тому швидкість oxлaждeнія металу, знижується і кристали ростуть у напрямку відводу теплоти. При цьому утворюється зона 3, що складається з деревовидних або стовпчастих кристалів. У внутрішній зоні злитку 4 утворюються равноосная, неорієнтовані кристали великих розмірів в результаті уповільненої охолодження.

Рис. 6. Схема будови сталевого злитка
а - розташування дендритів в зовнішніх частинах злитку, б - будова злитка;
1 - стінки виливниці, 2 - дрібні равноосная кристали, 3 - деревоподібні кристали, 4 - равноосная неорієнтовані кристали великих розмірів, 5 - усадочна рихлість, 6 - усадочна раковина
У верхній частині злитка, який твердне в останню чергу, утворюється усадочна раковина 6 внаслідок зменшення об'єму металу при охолодженні. Під усадочної раковиною метал у зоні 5 виходить пухким з-за великої кількості усадочних пір. Для отримання виробів використовують тільки частина злитка, видаляючи усадкову раковину і пухкий метал злитку для подальшого переплаву.
Злиток має неоднорідний хімічний склад, який тим більше, чим більший зливок. Наприклад, в сталевому зливку концентрація сірки та фосфору збільшується від поверхні до центру і знизу вгору. Хімічну неоднорідність по окремим зонам злитку називають зональної ліквацією. Вона негативно впливає на механічні властивості металу.
Алотропія металів. Аллотропией, або поліморфізмом, називають здатність металу в твердому стані мати різні кристалічні форми. Процес переходу з однієї кристалічної форми в іншу називають Аллотропических перетворенням. При нагріванні чистого металу таке перетворення супроводжується поглинанням тепла і відбувається при постійній температурі, що пов'язано з необхідністю витрати певної енергії на розбудову кристалічної решітки. Аллотропических перетворення мають багато метали: залізо, олово, титан та ін Наприклад, залізо в інтервалі температур 911 - 1392 ° С має гранецентрированную кубічну решітку (ГЦК) γ-Fe (рис. 7). В інтервалах до 911 ° С і від 1392 до 1539 ° С залізо має об'ємно-центровану кубічну решітку (ОЦК) - α-Fe. Аллотропических форми металу позначаються буквами а, β, γ і т. д. Існуюча при найнижчій. Температурі Аллотропических форма металу позначається через букву α, яка у вигляді індексу додається до символу хімічного елемента металу і т. д.

Рис. 7. Аллотропических перетворення в залізі
При аллотропических перетвореннях відбувається зміна властивостей металів - зміна обсягу металів (особливо характерно для олова) і розчинності вуглецю (характерно для заліза).
Методи вивчення будови металів. Вивчення будови металів і сплавів здійснюється методами макро-і мікроаналізу, рентгенівського, а також дефектоскопії (рентгенівської, магнітній, ультразвуковий).
Методом макроаналізу вивчається макроструктура, тобто структура, видима неозброєним оком або за допомогою лупи, при цьому виявляються великі дефекти: тріщини, усадочні раковини, газові міхури і т. д., а також нерівномірність розподілу домішок в металі. Макроструктуру визначають за зламів металу, по макрошліфах. Макрошліфах - це зразок металу або сплаву, одна з сторін якого відшліфована, ретельно знежирена, протравлена і розглядається за допомогою лупи із збільшенням в 5-10 ^х.
Мікроаналіз виявляє структуру металу або сплаву по мікрошліф, приготованим так само, як і для макроаналізу, але додатково відполірованим до дзеркального блиску. Шліфи розглядають у відбитому світлі під оптичним мікроскопом при збільшенні до 3000 ^х. Через різного орієнтування зерен металу вони труяться не в однаковій мірі і під мікроскопом світло також відбивається неоднаково. Межі зерен завдяки домішкам труяться сильніше, ніж основний метал, і виявляються більш рельєфно. У сплаві структурні складові труяться також різна. В електронному мікроскопі розглядають репліку - зліпок з особливо тонкої структури блоків, фрагментів, дислокації при збільшеннях до 100000 ^х. Цей найважливіший аналіз визначає розміри і форму зерен, структурні складові, неметалеві включення та їх характер (тріщини, пористість і т. д.), якість термічної, обробки. Знаючи мікроструктуру, можна пояснити причини зміни властивостей металу.
За допомогою рентгенівського аналізу вивчають атомну структуру металів, типи і параметри кристалічних граток, а також дефекти, що лежать в глибині. Цей аналіз, заснований на дифракції (відображенні) рентгенівських променів рядами атомів кристалічної решітки, дозволяє виявити дефекти (пористість, тріщини, газові бульбашки, шлакові включення і т. д.), не руйнуючи металу. У місцях дефектів рентгенівські промені поглинаються менше, ніж у суцільному металі, і тому на фотоплівці такі промені утворюють темні плями, що відповідають формі дефекту.
Для дослідження структури металу і дефектів виробів широко застосовують гамма-промені, які проникають у виріб на велику глибину, ніж рентгенівські.
Магнітним методом досліджують дефекти в магнітних металах (сталь, нікель та ін) на глибині до 2 мм (Тріщини різного походження, неметалеві включення і т. д.). Для цього випробувані виріб намагничивают, покривають його поверхню порошком заліза, оглядають поверхню і розмагнічують виріб. Навколо дефекту утворюється неоднорідне поле, внаслідок чого магнітний порошок повторює обриси дефекту. Інший метод - магнітний індукційний - часто використовують для оцінки повноти структурних перетворень у сплавах (виробах) після їх термічної обробки.
Ультразвуковим методом здійснюється ефективний контроль якості металу виробів і заготовок практично будь-яких розмірів. В імпульсних ультразвукових дефектоскопах ультразвукова хвиля від щупа - випромінювача поширюється в контрольованому виробі і при зустрічі з яким-небудь дефектом відбивається від нього. При цьому відбиті хвилі приймаються, посилюються і передаються на показує індикатор. Ультразвук використовують для контролю якості роторів, рейок, поковок, прокату та інших виробів при необхідності збереження цілісності виробів.

3. ФІЗИЧНІ І ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Фізичні властивості. До фізичних властивостей металів відносять колір, щільність, температуру плавлення, теплопровідність, теплове розширення, теплоємність, електропровідність, магнітні властивості та ін
Кольором називають здатність металів відображати світлове випромінювання з певною довжиною хвилі. Наприклад, мідь має рожево-червоний колір, алюміній - сріблясто-білий.
Щільність металу характеризується його масою, укладеної в одиниці об'єму. За щільністю всі метали ділять на легкі (менше 4500 кг / м ³⁾ і важкі. Щільність має велике значення при створенні різних виробів. Наприклад, в літако-та ракетобудуванні прагнуть використовувати більш легкі метали та сплави (алюмінієві, магнієві, титанові), що сприяє зниження маси виробів.
Температурою плавлення називають температуру, при якій метал переходить з твердого стану в рідкий. По температурі плавлення розрізняють тугоплавкі метали (вольфрам 3416 ° С, тантал 2950 ° С, титан 1725 ° С. та ін) і легкоплавкі (олово 232 ° С, свинець 327 ° С, цинк 419,5 ° С, алюміній 660 ° С ). Температура плавлення має велике значення при виборі металів для виготовлення литих виробів, зварних та паяних з'єднань, термоелектричних приладів та інших виробів. В одиницях СІ температуру плавлення виражають в градусах Кельвіна (К).
Теплопровідністю називають, здатність металів передавати тепло від більш нагрітих до менш нагрітих ділянок тіла. Срібло. мідь, алюміній володіють великою теплопровідністю. Залізо має теплопровідність приблизно в три рази менше, ніж алюміній, і в п'ять разів менше, ніж мідь. Теплопровідність має велике значення при виборі матеріалу для деталей. Наприклад, якщо метал погано проводить тепло, то при нагріванні і швидкому охолодженні (термічна обробка, зварювання) у ньому утворюються тріщини. Деякі деталі машин (поршні двигунів, лопатки турбін) повинні бути виготовлені з матеріалів з хорошою тeплопpoводностью. В одиницях СІ теплопровідність має розмірність Вт / (м * К).
Тепловим розширенням називають здатність металів збільшуватися в розмірах при нагріванні і зменшуватися при охолодженні. Теплове розширення характеризується коефіцієнтом лінійного розширення
α = (l _{2-l 1)} / [l ₁ (t ₂ - t _1)], де l ₁ і l ₂ довжини тіла при температурах t ₁ і t _2. Коефіцієнт об'ємного розширення дорівнює 3 α. Теплові розширення повинні враховуватися при зварюванні, упакування і гарячого об'ємного штампування, виготовленні ливарних форм, штампів, прокатних валків, калібрів, виконанні точних з'єднань і збірці приладів, при будівництві мостових ферм, укладанні залізничних рейок.
Теплоємністю називають здатність металу при нагріванні поглинати певну кількість тепла. В одиницях СІ має розмірність Дж / К. Теплоємність різних металів порівнюють по величині питомої теплоємності - кількості тепла, висловленим у великих калоріях, яке потрібно для підвищення температури 1 кг металу на 1 ° С (в одиницях СІ - Дж / (кг.К).
Електрична провідність оцінюється в системі СІ в Сіменса (См), питома електропровідність - у См / м.
Електроопір виражають у омах (Ом), а питомий електроопір - у Ом / м.
Хороша електропровідність необхідна, наприклад, для струмоведучих проводів (мідь, алюміній). При виготовленні електронагрівачів приладів і печей необхідні сплави з високим електроопору (ніхром, константан, манганін). З підвищенням температури металу його електропровідність зменшується, а зі зниженням - збільшується.
Магнітні властивості характеризуються абсолютною магнітною проникністю або магнітної постійною, тобто здатністю металів намагнічуватися. В одиницях СІ магнітна постійна має розмірність Гн / м. Високими магнітними властивостями володіють залізо, нікель, кобальт і їхні сплави, звані феромагнітними. Матеріали з магнітними властивостями застосовують в електротехнічній апаратурі і для виготовлення магнітів.
Хімічні властивості. Хімічні властивості характеризують здатність металів і сплавів чинити опір окисленню або вступати в з'єднання з різними речовинами: киснем повітря, розчинами кислот, лугів та ін Чим легше метал вступає в з'єднання з іншими елементами, тим швидше він руйнується. Хімічне руйнування металів під дією на їх поверхню зовнішнього агресивного середовища називають корозією.
Метали, стійкі до окислення при сильному нагріванні, називають жаростійкими або окалино-стійкими. Такі метали застосовують для виготовлення деталей, які експлуатуються в зоні високих температур.
Опір металів корозії, окалині-освіти і розчинення визначають по зміні маси піддослідних зразків на одиницю поверхні за одиницю часу.
Хімічні властивості металів обов'язково враховуються при виготовленні тих чи інших виробів. Особливо це відноситься до виробів або деталей, які працюють в хімічно агресивних середовищах.

МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Здатність металу чинити опір впливу зовнішніх сил характеризується механічними властивостями. Тому при виборі матеріалу для виготовлення деталей машин необхідно перш за все враховувати його механічні властивості: міцність, пружність, пластичність, ударну в'язкість, твердість і витривалість. Ці властивості визначають за результатами механічних випробувань, при яких метали піддають дії зовнішніх сил (навантажень). Зовнішні сили можуть бути статичними, динамічними або циклічними (повторно-змінними). Навантаження викликає у твердому тілі напругу і деформацію.
Напруга - величина навантаження, віднесена до одиниці площі поперечного перерізу випробуваного зразка. Деформація - зміна форми і розмірів твердого тіла під впливом прикладених зовнішніх сил. Розрізняють деформації розтягування (стиснення), вигину, кручення, зрізу (рис. 8).

Рис. 8. Види деформацій:
а - стиснення, б - розтяг, в - кручення, г - зріз, д - вигин
Насправді матеріал може піддаватися одного або декількох видів деформації одночасно.
Для визначення міцності, пружності і пластичності метали у вигляді зразків круглої або плоскої форми випробовують на статичний розтяг. Випробування проводять на розривних машинах. У результаті випробувань отримують діаграму розтягування. По осі абсцис цієї діаграми відкладають значення деформації, а по осі ординат - навантаження, прикладені до зразка.
Міцність - здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під дією навантажень оцінюється межею міцності і межею плинності. Важливим показником міцності матеріалу є також питома міцність - відношення границі міцності матеріалу до його щільності. Межа міцності σ _в (тимчасовий опір) - це умовне напруження у Па (Н / м ^2). відповідне найбільшому навантаженню, що передує руйнуванню зразка: σ _в = P max / F _о, де Рmах - найбільше навантаження, Н; F _о - початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка, м ^2.
Істинне опір розриву S _к - це напруга, обумовлений ставленням навантаження Р _к в момент розриву до площі мінімального поперечного перерізу зразка після розриву F _к (S _к = Р _к / F _к).
Межа плинності (фізичний) σ _т - це найменше напруга (в МПа), при якому зразок деформується без помітного збільшення навантаження:
σ _т = Р _т F _о, де Р _т - навантаження, при якій спостерігається майданчик плинності, Н.
Майданчик плинності мають в основному тільки малоуглеродистая сталь і латуні. Інші сплави площадки плинності не мають. Для таких матеріалів визначають межу текучості (умовний), при якому залишкове подовження досягає 0,2% від розрахункової довжини зразка: σ _0,2 = P _0,2 / F _0.
Пружність - здатність матеріалу відновлювати первинну форму і розміри після припинення дії навантаження Р _уп оцінюють межею пропорційності σ _ПЦ і межею пружності σ _ун.
Межа пропорційності σ _ПЦ - напруга (МПа), вище якого порушується пропорційність між прикладеним напруженням і деформацією зразка σ _ПЦ = Р _ПЦ / Р _0.
Межа пружності (умовний) σ _0,05 - це умовне напругу в Мпа, відповідне навантаженні, при якій залишкова деформація вперше досягає 0,05%, від розрахункової довжини зразка lo: σ _0,05 = P _0,05 / F _0, де P _0,05 - навантаження межі пружності, М.
Пластичність, тобто здатність матеріалу приймати нову форму і розміри під дією зовнішніх сил не руйнуючись, характеризується відносним подовженням і відносним звуженням.
Відносне подовження (після розриву) δ - це відношення приросту (l _k - lo) розрахункової довжини зразка після розриву до його первісної розрахунковій довжині lo, виражене у відсотках:
δ = ((1к-1о) / 1о] 100%.
Відносне звуження (після розриву) Ψ - це відношення різниці початкової і мінімальної площ (Fo - Fк) поперечного перерізу зразка після розриву до початкової площі Fo поперечного перерізу, виражене в про центах: Ψ = [(F ₀ - F _k) / Fо] 100%.
Чим більше значення відносного подовження і звуження для матеріалу, тим він більш пластичний. У крихких матеріалів ці значення близькі до нуля. Крихкість конструкційного матеріалу є негативним властивістю.
Ударна в'язкість, тобто здатність матеріалу чинити опір динамічним навантаженням, визначається як відношення витраченої на злам зразка роботи W (в МДж) до площі його поперечного перерізу F (в м ²⁾ в місці надрізу KC = W / F.
Для випробування виготовляють спеціальні стандартні зразки, що мають форму квадратних брусків з надрізом. Відчувають зразок на маятникових копрах. Вільно падаючий маятник копра вдаряє по зразку з боку, протилежного надрізу. При цьому фіксується робота.
Визначення ударної в'язкості особливо важливо для деяких металів, що працюють при мінусових температурах і виявляють схильність до хладноломкости. Чим нижче поріг холодноламкості, тобто температура, при якій в'язке руйнування матеріалу переходить в крихке, і більше запас в'язкості матеріалу, тим більше ударна в'язкість матеріалу. Хладноломкость-зниження ударної в'язкості при низьких температурах.
Циклічна в'язкість - це здатність матеріалів поглинати енергію при повторно-змінних навантаженнях. Матеріали з високою циклічної в'язкістю швидко гасять вібрації, які часто є причиною передчасного руйнування. Наприклад, чавун, що має високу циклічну в'язкість, в деяких випадках (для станин та інших корпусних деталей) є більш цінним матеріалом, ніж вуглецева сталь.
Твердістю називають здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого, більш твердого тіла. Високої твердістю повинні володіти металорізальні інструменти: різці, свердла, фрези, а також поверхнево-зміцнені деталі. Твердість металу визначають способами Брінелля, Роквелла і Віккерса (рис. 10).

Рис. 10. Визначення твердості металу методами Брінелля (а), Роквелла (б) і Віккерса (в)
Спосіб Брінелля заснований на тому, що в плоску поверхню металу вдавлюють під постійним навантаженням сталевий загартований кульку. Діаметр кульки і величину навантаження встановлюють залежно від твердості та товщини випробуваного металу. Твердість за Бринеллю визначають на твердомере ТШ (твердомір кульковий). Випробування проводять таким чином. На поверхні зразка, твердість якого потрібно виміряти, напилком або абразивним кругом зачищають майданчик розміром 3-5 см ^2. Зразок ставлять на столик приладу і піднімають до зіткнення зі сталевою кулькою, який укріплений в шпинделі приладу. Вантаж опускається і вдавлює кулька в випробуваний зразок. На поверхні металу утворюється відбиток. Чим більше відбиток, тим метал м'якше.
За міру твердості НВ беруть відношення навантаження до площі поверхні відбитка діаметром d і глибиною t, який утворюється при вдавлюванні силою Р кульки діаметра D (див. рис. 10, а).
Числове значення твердості визначають так: вимірюють діаметр відбитка за допомогою оптичної лупи (з поділками) і за отриманим значенням знаходять у таблиці, яка додається до ГОСТу, відповідне число твердості.
Перевага способу Брінелля полягає в простоті випробування і точності одержуваних результатів. Способом Брінелля не рекомендується вимірювати твердість матеріалів з НВ> 450, наприклад загартованої сталі, так як при вимірюванні кулька деформується і показання спотворюються.
Для випробування твердих матеріалів застосовують спосіб Роквелла. У зразок вдавлюють алмазний конус з кутом при вершині 120 ° або сталевий загартований кульку діаметром 1,59 мм . Твердість по Роквеллу вимірюється в умовних одиницях. Умовна величина одиниці твердості відповідає осьовому переміщенню наконечника на 0,002 мм . Випробування проводять на приладі ТК. Значення твердості визначається за глибиною відбитка h і відраховують по циферблату індикатора, встановленому на приладі. У всіх випадках попередня навантаження Ро дорівнює 100 H.
При випробуванні металів з високу твердість застосовують, алмазний конус і загальне навантаження P = Po + P ₁ = 1500 H. Твердість відраховують за шкалою «С» і позначають HRC.
Якщо при випробуванні береться сталева кулька і загальне навантаження 1000 H, то твердість відраховується за шкалі «У» і позначається HRB.
При випробуванні дуже твердих або тонких виробів використовують алмазний конус і загальне навантаження 600 Н. Твердість відраховується за шкалою «А» і позначається HRA. Приклад позначення твердості по Роквеллу: HRC 50 - твердість 50 за шкалою «С».
При визначенні твердості способом Віккерса (ГОСТ 2999-75) як втискується в матеріал наконечника використовують чотиригранну алмазну піраміду з кутом при вершині 136 °. При випробуваннях застосовують навантаження від 50 до 1000 Н (менші значення навантаження для визначення твердості тонких виробів і твердих, зміцнених поверхневих шарів металу). Числове значення твердості визначають так: заміряють довжини обох діагоналей відбитку після зняття навантаження і за допомогою мікроскопа і за отриманим середньому арифметичному значенню довжини діагоналі знаходять у таблиці відповідне число твердості. Приклад позначення твердості по Віккерсу - HV 500.
Для оцінки твердості металів у малих обсягах, наприклад, на зернах металу або його структурних складових застосовують спосіб визначення мікротвердості. Наконечник (індентор) приладу являє собою алмазну чотиригранну піраміду (з кутом при вершині 136 ^про, таким же як і в піраміди при випробуванні за Віккерсу ). Навантаження на індентор невелика і становить 0,05-5 Н, а розмір відбитка 5 -30 мкм. Випробування проводять на оптичному мікроскопі ПМТ-3, постаченому механізмом навантаження. Мікротвердість оцінюють за величиною діагоналі відбитка.
Втомою називають процес поступового накопичення пошкоджень матеріалу під дією повторно-змінних напруг, що призводить до утворення тріщин і руйнування. Втома металу обумовлена концентрацією напружень в окремих його обсягах, в яких є неметалеві включення, газові бульбашки, різні місцеві дефекти і т. д. Характерним є втомний злам, що утворюється після руйнування зразка в результаті багаторазового навантаження (рис. 11) і складається з двох різних за зовнішнім виглядом частин. Одна частина 1 зламу із рівною (затертої) поверхнею утворюється внаслідок тертя поверхонь в області тріщин, що виникли від дії повторно-змінних навантажень, інша частина 2 з зернистим зламом виникає в момент руйнування зразка.

Рис. 11. . Устатолостний злам

Випробування на втому проводять на спеціальних машинах. Найбільш поширені машини для повторно-змінного згинання обертового зразка, закріпленого одним або обома кінцями, а також машини для випробувань на розтяг - стиск і на повторно-змінне кручення. У результаті випробувань визначають межу витривалості, що характеризує опір втоми.
Витривалість - властивість матеріалу протистояти втомі. Межа витривалості - це максимальна напруга, що може витримати метал без руйнування задане число циклів навантаження. Тим межею витривалості і межею міцності існує наближена залежність:
σ _-1 ≈ 0,43 σ в; σ - _1р ≈ 0,36 σ в, де σ _-1 і σ - _1р - відповідно межі витривалості при згині і розтягуванні - стиску.

ТЕХНОЛОГІЧНІ ТА ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ
Технологічні властивості. Ці властивості характеризують здатність металів піддаватися обробці в холодному і гарячому станах. Технологічні властивості визначають при технологічних пробах, які дають якісну оцінку придатності металів до тих чи інших способів обробки. Зразок, підданий технологічної пробі (рис. 12), оглядають. Ознакою того, що зразок витримав випробування, є відсутність тріщин, надривів, розшарування або зламу. До основних технологічними властивостями відносять: оброблюваність різанням, зварюваність, ковкість, ливарні властивості та ін

Рис. 12. Технологічні проби:
а - вигин на певний кут, б - вигин до паралельності сторін, в - вигин до зіткнення сторін, г - на навивання, д - на сплющування труб, е - на осідання
Оброблюваність різанням - одна з найважливіших технологічних властивостей, тому що переважна більшість заготовок, а так само деталей зварних вузлів і конструкцій піддається механічній обробці. Одні метали обробляються добре до отримання чистої і гладкої поверхні, інші ж, що мають високу твердість, погано. Дуже в'язкі метали з низькою твердістю також погано обробляються: поверхня виходить шорсткою, з задираками. Поліпшити оброблюваність, наприклад, сталі можна термічною обробкою, знижуючи або підвищуючи її твердість.
Зварюваність - здатність металів утворювати зварне з'єднання, властивості якого близькі до властивостей основного металу. Її визначають пробою звареного зразка на загин або розтяг.
Ковка - здатність металу оброблятися тиском у холодному або гарячому стані без ознак руйнування. Її визначають ковальської пробою на осадку до заданого ступеня деформації. Висота зразка для опади дорівнює зазвичай двом його діаметрам. Якщо на бічній поверхні зразка тріщина не утвориться, то і такий зразок вважається витримали пробу; а випробуваний метал - придатним для обробки тиском.
Ливарні властивості металів характеризують здатність їх утворювати виливки, без тріщин, раковин та інших дефектів. Основними ливарними властивостями є, жидкотекучесть, усадка і сегрегація.
Жидкотекучесть - здатність розплавленого металу добре заповнювати порожнину ливарної форми.
Усадка при кристалізації - це зменшення обсягу металу при переході з рідкого стану в твердий; є, причиною утворення усадочних раковин і усадочної пористості (див. рис. 6) у зливках і виливках.
Ліквація - неоднорідність хімічного складу сплавів, що виникає при їх кристалізації, обумовлена тим, що сплави на відміну від чистих металів кристалізуються не при одній температурі, а в інтервалі температур. Чим ширше температурний інтервал кристалізації сплаву, тим сильніше розвивається ізоляція, причому найбільшу схильність до неї проявляють ті компоненти сплаву, які найбільш сильно впливають на ширину температурного інтервалу кристалізації (для сталі, наприклад, сірка, кисень, фосфор, вуглець).
Експлуатаційні властивості. Ці властивості визначають залежно від умов роботи машини спеціальними випробуваннями. Одним з найважливіших експлуатаційних властивостей є зносостійкість.
Зносостійкість - властивість матеріалу чинити опір зносу,
тобто поступового зміни розмірів і форми тіла внаслідок руйнування поверхневого шару виробу при терті. Випробування металів на знос проводять на зразках у лабораторних умовах, а деталей - в умовах реальної експлуатації. Під час випробувань зразків моделюються умови тертя, близькі до реальних. Величину зносу зразків або деталей визначають різними способами: вимірюванням розмірів, зважуванням зразків та іншими методами.
До експлуатаційних властивостей слід також віднести хладостойкость, жароміцність, антифрикційні та ін
Контрольні питання
1. Розкажіть про кристалізації металів.
2. Як формується металевий злиток у виливниці?
3. Що таке алотропія металів?
4. Якими методами вивчають будову металів?
5. Як визначають міцність металів?
6. Що таке твердість і якими способами її визначають?
7. Перелічіть технологічні властивості металів.
скачати