Характеристики металлов и сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

По современным представлениям материалы, используемые в правительстве, исходя из условий эксплуатации, подразделяются на две большие группы: конструкционные и материалы специального назначения.

Конструкционными называют металлы, обладающие конструктивной прочностью, способные воспринимать и выдерживать силовые нагрузки. К ним относятся: металлы и сплавы, природные и искусственные каменные материалы, древесина, пластмассы.

К материалам специального назначения относятся: тепло-, звуко-, гидроизоляционные, антикоррозионные, огнеупорные, отделочные и др.

В настоящем работе рассматриваются конструкционные материалы на основе металлов и сплавов.

Основоположником отечественной науки о металлах является великий русский ученый М.В. Ломоносов (1711-1765).

Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими металлургами П.П. Аносовым (1799-1851) и Д.К. Черновым (1839-1921), которые впервые установили связь между строением и свойствами металлов и сплавов, впервые в мире применили микроскоп для исследований строений металлов. Разработали принципы получения высококачественной стали, создали основы металлографии - науки о строении металлов и сплавов, процессов ковки, прокатки, термической обработки стали.

Д.К. Чернов открыл критические точки в стали и они явились основой для построения современной диаграммы состояния системы железо-углерод.

Металлы - наиболее распространённые и широко используемые материалы в производстве и быту человека.

Производство и обработка металлов возникли очень давно. Сначала человек использовал для различных целей самородные металлы - золото, серебро, медь. Затем он научился получать металлы и сплавлять их друг с другом. Получение бронзы (это прочный сплав меди с оловом, а позднее и с другими элементами) открыло новую эпоху в развитии материальной культуры, которую позже назвали бронзовым веком. Позже была освоена выплавка железа.

Первыми плавильными агрегатами для получения железа из руд были неглубокие земляные ямы (горны), в которых получали сыродутное железо, которое затем подвергали ковке. К ХIII-ХIV вв., нашей эры появились круглые шахтные печи - домницы. В них развивались более высокие температуры, чем в горнах, и происходило насыщение железа углеродом. В результате в нижней части домницы получался жидкий металл - чугун. Их чугуна изготовляли простые отливки (плиты, шары и т. п.), которые обладали достаточной прочностью, но были хрупкими и не поддавались ковке.

Постепенно форму домницы изменяли, а ее размеры увеличивали. Ее стали называть доменной печью, которая до сих пор является основным агрегатом для производства чугуна.

Примерно в середине ХIV в. научились перерабатывать хрупкий чугун в очень прочный и ковкий металл - сталь, выжигая углерод из жидкого чугуна в так называемых кричных горнах.

С развитием и усовершенствованием методов получения черных и цветных металлов развивалась технология их обработки.

К основным технологическим способам обработки металлов относят: литейное производство, обработку давлением (прокатку, волочение, прессование, ковку, штамповку), сварку и огневую резку, термическую обработку, обработку резанием (механическая обработка).

Прокатка металлов возникла позже ковки и волочения. Первые сведения о прокатке относятся к ХV в. (это обработка свинцовых полос). Первые прокатные станы имели ручной, а в дальнейшем водяной привод. В 40-х годах ХIХ в., на заводах появились прокатные станы с механическим приводом. Сварка это один из процессов обработки металлов в промышленности и в строительстве. Существует несколько видов сварки. Самый распространённый - электросварка.

Существует термическая обработка металлов и сплавов - это отжиг, нормализация, закалка, отпуск и др. Металлы и сплавы нагревают до определенной температуры, выдерживают и охлаждают с различной скоростью и получают необходимые изменения структуры и свойств металлов и сплавов.

Обработка металлов резанием была известна в глубокой древности. Ее осуществляли сначала вручную, а затем с помощью приспособлений, которые усиливали действие режущего инструмента. В ХIV-ХVI вв., появились токарные и сверлильные станки, которые вращались от водяных колес. В начале XVIII в., в токарном станке был применен суппорт, который перемещался вдоль обрабатываемой детали при помощи зубчатого колеса и рейки. Позже стали использовать ходовой винт. К середине ХIХ в., были изобретены все основные виды металлорежущих станков.

1. Химический состав металлов и сплавов

Металлы это вещества, которые при обычных условиях обладают высокой прочностью, пластичностью, тепло- и электропроводностью. Характерный признак это особый блеск, который называют металлическим.

Металлические элементы составляют ѕ всех существующих в природе элементов, но не все применяют в технике и строительстве. В большом количестве в земной коре содержатся лишь: алюминий - 8,8%, железо - 4,65%, магний - 2,1%, титан - 0,63%. В чистом виде металлы обладают невысокими механическими, физическими и химическими свойствами.

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. Черные металлы - это сплав железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода черные металлы подразделяются на стали (содержание С<2%) и чугуны (С>2%). Наибольшее применение нашли черные металлы. На основе железа изготавливают до 90% всех конструкционных и инструментальных материалов.

Чугун - содержит углерод в количестве 2-6,67%. Он является как конструкционным, так и промежуточным продуктом при производстве стали.

По составу и применению чугуны подразделяют на предельные (белые), литейные (серые), специальные (ферросплавы).

К цветным относят все металлы, кроме железа.

В технике применяют: алюминий, медь, никель, титан, цинк, свинец, олово, вольфрам, ванадий. Они также как и черные металлы в чистом виде применяются редко.

Легкие сплавы получают на основе алюминия или магния. Самые распространенные: алюминиево-марганцевые, алюминиево-кремнеземистые, алюминиево-магниевые и сплавы типа дюралюминия. Их применяют для несущих и ограждающих конструкций.

Тяжелые сплавы получают на основе меди, олова, цинка, свинца. В строительстве из тяжелых металлов применяют бронзу (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем) и латунь (сплав меди с цинком). Применяют тяжелые сплавы для изготовления архитектурных деталей и санитарно-технической арматуры. Сталь - основной конструкционный материал, который применяют в строительстве.

По химическому составу стали подразделяются на:

1. углеродистые;

2. легированные.

Углеродистые стали содержат железо, углерод и примеси (марганец, кремний, серу, фосфор), которые называют нормальными.

Легированные стали в отличие от углеродистых (тот же состав, что у углеродистых) содержат специально вводимые для изменения свойств стали легирующие добавки (никель, хром, титан, вольфрам и т. д.).

К легирующим добавкам также относят марганец и кремний, если их содержание больше, чем предусмотрено для примесей.

2. Кристаллическое строение металлов

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле расположены упорядоченно и образуют расстояния, которые между атомами называют параметрами решеток и измеряют в нанометрах (1нм=10-9м).

Рис. 1. - Кристаллические решетки:

На качество металлов влияет: расположение атомов, межатомные расстояния и насыщенность атомами.

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами (периодами) - расстояниями между центрами атомов, которые расположены в узлах элементарной ячейки.

В зависимости от формы кристаллической ячейки и степени ее упаковки каждый атом имеет различное число взаимных контактов с другими атомами. Эта величина характеризуется координационным числом - числом атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии от данного атома.

В металлах действуют следующие виды физико-химической связи: металлическая, ван-дер-ваальсовая, ионная и ковалентная. В переходных металлах (к ним относится сталь) преобладает металлическая связь. Она возникает за счет сил притяжения между решеткой из положительно заряженных ионов и так называемым «газом» свободных электронов, которые их окружают.

Если внешняя нагрузка отсутствует, то атомы в кристалле находятся на равновесных расстояниях.

Если приложить сжимающую нагрузку, то атомы будут сближаться до такого расстояния, при котором внутренние отталкивающие силы уравновесят внешние сжимающие силы. При растяжении кристалла расстояние между атомами увеличивается до тех пор, пока силы притяжения не уравновесят внешнюю нагрузку.

Сопротивление деформированию определяется сопротивлением сдвигу одного атомного слоя относительно другого, соседнего. С приложением внешней силы разрушение может происходить не только со сдвигом, но и может произойти отрыв одной части кристалла от другой. Теоретически вычисленные напряжения, необходимые для отрыва одного атомного слоя от другого, на много выше, чем прочность реальных кристаллов.

3. Кристаллическое строение сплавов

В чистом виде металлы обладают невысокими механическими, физическими и химическими свойствами, поэтому для улучшения этих свойств металлы сплавляют с другими элементами. Сплавами называют металлические вещества с характерными свойствами металлов, получаемые при затвердевании жидких расплавов.

Элементами сплава могут быть металлы и неметаллы.

Эти элементы называются компонентами сплава.

В сплаве кроме основных компонентов могут содержаться и примеси.

Примеси бывают полезные, улучшающие свойства сплава, и вредные, ухудшающие его свойства. Примеси бывают случайные, попадающие в сплав при его приготовлении, и специальные, которые вводят для придания ему требуемых свойств.

Кристаллическое строение сплава более сложное, чем металла, и зависит от взаимодействия компонентов при кристаллизации. Входящие в состав сплава элементы или вещества, (компоненты сплава) могут находится между собой в одной из трех видов связи:

- твердом растворе;

- химическом соединении;

- механической смеси.

Твердыми растворами - называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).

Различают твердые растворы замещения и внедрения.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

Рис. 2. - Схема твердого раствора замещения (а) и внедрения (б):

При образовании твердого раствора внедрения, атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. Атомы в этом случае располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства.

Химическое соединение - это соединение, в котором компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, при этом образуется новая кристаллическая решетка. Компоненты сплава имеют определенное соотношение по массе.

Механической смесью называют смесь, в которой компоненты сплава обладают полной взаимной нерастворимостью и имеют различные кристаллические решетки. При этих условиях сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих ее компонентов. Механическая смесь имеет постоянную температуру плавления. Если она, образует при одновременной кристаллизации из расплава, то она называется эвтектикой, если в процессе превращения (перекристаллизации) в твердом состоянии - эвтектоидом.

4. Формирование структуры металлов

Кристаллизация металлов и сплавов.

Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при переходе металла из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией и в значительной мере определяет свойства металла. В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется и атомы начинают сближаться и группироваться в кристаллы. Эти первичные группы кристаллов называют центрами кристаллизации (рис. 3а.). Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий:

1. образование центров кристаллизации;

2. рост кристаллов вокруг этих центров (рис. 3б.)

Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается.

Рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости.

В результате растущие кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и поэтому называются кристаллитами, или зернами (рис. 3в). Комплекс зерен - это поликристаллическое тело.

Рис. 3. - Схема кристаллизации металлов:

При охлаждении расплава металла с началом его кристаллизации падение температуры прекращается и на кривой охлаждения образуется горизонтальный участок (рис. 4.)

Рис. 4:

Это объясняется тем, что группировка атомов идет с выделением теплоты.

По окончании затвердевания температура снова понижается. Согласно закона кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизируется при строго индивидуальной температуре.

Температуру, при которой металл переходит из жидкого состояния в твердое, называют температурой первичной кристаллизации. Возможна и вторичная кристаллизация - изменение кристаллического строения металлов в твердом состоянии.

Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. металловедение технологический сплав

Перестройка кристаллических решеток при критических температурах называется полиморфными превращениями. Полиморфные модификации обозначаются греческими буквами б, в, г и другими, которые в виде индекса добавляют к символу элемента (рис. 4.). Полиморфные модификации при самой низкой температуре обозначают буквой б, при более высокой в и т. д.

Рис. 5. - График изменения кристаллической решетки при изменении температуры:

Размещено на Allbest.ru