Тема 1 Будова і властивості металів

Структура матеріалів визначається багатьма факторами, які зумовлюють рівновагу процесів та явищ в матеріалах:  це будова атомів, іонів молекул, розміщення електронів в них, тип зв’язку між атомами, хімічний склад речовин, вид обробки, якій їх піддавали.

Тверді тіла поділяються на дві групи, що відрізняються за властивостями.  В одну групу входять тіла кристалічні, в другу - аморфні.

Кристали - це тверді тіла, в яких атоми або молекули розміщені впорядковано і  утворюють  внутрішню структуру, яка періодично повторюється. Кристалічні тіла залишаються твердими,  зберігаючи свою форму,  до певної температури, яку називають температурою плавлення. При цій температурі вони переходять у рідкий стан.

Аморфні тіла  при  нагріванні розм’якшуються в широкому інтервалі температур, стають в’язкими а потім переходять в рідкий стан.

Характерною зовнішньою ознакою будь-якого кристалу є його правильна геометрична форма. В ідеальному кристалі атоми розміщені періодично в трьох вимірах. Кожний атом має сусідів, положення яких по відношенню до нього однакове, тобто в будь-якій точці кристала атом, що розглядаємо, має однакову кількість сусідів, які знаходяться від нього на однаковій відстані. Таке розміщення атомів називають «дальнім порядком».

Для опису атомно-кристалічної будови (структури) користуються поняттям кристалічної решітки - уявної просторової сітки, в вузлах якої розміщені атоми (іони).  Найменша геометрично вірна частина об’єму кристалічної решітки, яка дає уяву про розміщення атомів в кристаллі,  називається елементарною  граткою. Кристалічні решітки різних речовин відрізняються формою та розмірами елементарних граток.

Найбільш поширеними типами елементарних граток металів є: об’ємноцентрована кубічна (рис.1а), гранецентрована кубічна та гексагональна (рис.1 б, в).

 

Рис. 1 - Кристалічні решітки

Структуру з об’ємноцентрованою кубічною решіткою, де атоми розміщені в вершинах кубу  і один в його центрі, мають залізо (при температурах нижче 910ОС ), вольфрам, хром.

 Гранецентровану кубічну решітку, де атоми розміщені в вершинах куба і в центрі  кожної його грані,  мають алюміній, мідь, свинець, нікель, залізо  (при температурах вищих за 910ОС ).

Такі метали як цинк, кадмій, магній, титан, берілій та інші мають гексагональну кристалічну решітку.

Відстань між сусідніми атомами мала, вимірюється  в нанометрах. Для металів вона дорівнює 0,1-0,7нм (1 нм=10-8 см).

Відстань між атомами в кристалічній  решітці в різних напрямках, а також  щільність розміщення атомів в різних площинах не однакова.  Тому і властивості кристалів в різних напрямках не однакові. Різниця властивостей кристалічних речовин в різних напрямках називається анізотропією.

В монокристалах анізотропія досить значна.  Наприклад, міцність монокристалу міді в різних напрямках змінюється від 118 до 340 Мпа.

Метали є полікристалічними тілами, тому внаслідок різної орієнтації кристалів вони  мають незначну анізотропію.

Деякі метали (залізо, титан, олово, марганець та інші) при зміні температури можуть змінювати тип кристалічної решітки  і її параметри.  Це  явище називають  алотропією  або  поліморфізмом.

Щоб розрізнити алотропічну форму (модифікацію) до хімічного  символу елемента додають букву грецького алфавіту:  наприклад, Fea  Feg, Fed.

Буквою  - позначають низькотемпературну  модифікацію ;  - при вищій температурі;  - ще при вищій.

Алотропічні перетворення відбуваються при постійній температурі; на кривій охолодження або нагрівання має місце горизонтальна сходинка (рис.2).

 

Рис 2 -  Криві охолодження чистих металів

Дефекти кристалів

Реальні кристали відрізняються будовою від ідеальних. Вони завжди мають дефекти.  Дефекти поділяють на : точкові, лінійні, поверхневі.

Точкові дефекти. До них відносять вакансії, міжвузильні атоми основної речовини,  атоми домішок.

Вакансія - це пустий вузол кристалічної решітки;

дислоційований атом - це атом, який виведений з стану рівноваги;

атом домішок - це атоми інших речовин.

 Вакансії утворюються внаслідок виходу атома з свого положення і звільнення цим атомом вузла в кристалічній решітці. Дислоційовані атоми утворюються при переміщенні атома в міжвузельний простір. Якщо в кристалічну решітку попадає атом іншого елемента, то утворюється точковий дефект, який називають домішковим атомом 9 (рис. 3).

 

Рис .3 - Точкові дефекти в кристалічній решітці

Завдяки тепловому переміщенню атомів точкові дефекти можуть змінювати своє положення, тобто рухатися  в кристалічній решітці.

Вакансії відіграють значну роль в процесах, які відбуваються при підвищенних температурах і пов’язані з переміщенням атомів : дифузія при стіканні порошків, термічній та хіміко-термічній обробці, зварюванні.

Лінійні дефекти.  Найпоширенішим видом  лінійних дефектів є дислокації. Дислокація - це недобудована атомна площина, яка укорінена в кристалічну решітку.  Навколо дислокації решітка кружно викривлена.

Дислокації утворюються під час кристалізації металів, а також при пластичній деформації та перетвореннях,  що відбуваються при нагріванні та охолодженні металу (рис. 4).

 

 Рис. 4 - Лінійні дефекти в кристалічній решітці

Кількість дислокацій оцінюють такою величиною, як щільність.

Щільність дислокації - це сумарна довжина дислокацій  (см),  що знаходяться в одиниці об’єму (Vсм3)  кристала. Таким чином щільність дислокацій дорівнює : 

  .

Дислокацій в металічних кристалах дуже багато.  Для недеформованих металів =106-108 см-2, для деформованих металів або металів, що піддавались іншим видам зміцнюючої обробки, вона зростає до  =1010-1012 см-2.  Дислокації активно впливають на механічні характеристики металів, на їх фізичні та хімічні властивості.

Поверхневі дефекти - це границі кристалів (зерен) , блоків, з яких утворені грані кристалів.

Основні властивості металів та сплавів.

Метали і сплави мають  певні властивості ,  які поділяють на фізичні (питома вага, температура плавління, теплоємкість, електропровідність, коефіцієнт лінійного розширення, магнітні властивості); механічні (міцність, твердість, ударна в’язкість, опір втомі), які визначають працездатність металів; технологічні (ковкість, рідкотекучість, зварювальність, оброблювальність різанням ),  які визначають здатність металів і сплавів піддаватись різним методам гарячої та холодної обробки; хімічні (корозійна стійкість, жаростійкість, жароміцність), які визначають стійкість металів в агресивних середовищах при нормальній та підвищенній температурі. Всі ці властивості залежать від природи металу та його внутрішньої будови.

Деформація  твердих  тіл

Кожна часточка в кристалі (молекула, атом або іон) перебувають в певному положенні рівноваги,  коли  відштовхуючі і притягуючі сили,  що діють на неї з боку інших часточок кристала, рівні.  Якщо якась зовнішня сила виведе часточку з положення рівноваги, то зразу ж якась з цих сил буде перевищувати інші.

Якщо тіло розтягувати, то відстань між часточками кристала збільшиться, при цьому сили притягування починають перевищувати сили відштовхування і намагаються повернути часточки в початкове положення рівноваги. Навпаки, якщо тіло стискати і тим самим наближати атоми кристала, то почнуть переважати сили відштовхування, намагаючись повернути їх в початкове положення рівноваги.

Деякі тіла під дією сили змінюють свою форму (стискаються, розтягуються), та після зникнення сили вони відновлюють свою форму.

Властивість твердих тіл (або матеріалів) відновлювати свою форму та об’єм після припинення дії сили називають пружністю.

Фізична величина, що дорівнює відношенню модуля сили пружності до площі поперечного перетину тіла називається механічним напруженням s, яке дорівнює:  =  .

За одиницю механічного напруження прийнят 1 Паскаль (Па), 1Па=1Н/м2.

Модуль пружності. При  малих деформаціях напруження прямо пропорційне відносному видовженню:  =Е  .

Коефіцієнт пропорційності Е називається модулем пружності. Модуль пружності для кожного матеріалу є величиною сталою:

Е= .

Діаграмма розтягу.

Залежність напруження  від відносного  видовження  є однією з важливих характеристик механічних властивостей твердих тіл.  Графічне зображення цієї залежності називають діаграмою розтягу.  По осі ординат відкладають механічне напруження  , по осі абсцис - відносне видовження  .

Закон Гука виконується при невеликих деформаціях на відрізку ОА.

 

Рис. 5 - Діаграма розтягу

Крива  1 характеризує поведінку метала під дією напружень  . До точки А  деформація пропорційна  напруженню.  Тіло піддається пружній деформації.  Напруження, яке відповідає точці А називають межею пропорційності  пц. Максимальне напруження, при якому деформація ще залишається пружною, називається межею пружності (точка В) -  пр. При напруженнях, які більші за  пр зразок після зняття навантаження  не відновлює свою форму або початкові розміри. Виникає деформація, яка називається залишковою або пластичною.

В зоні пластичної деформації  (відрізок СД)  деформація відбувається майже без збільшення напруження. Це явище називають текучістю. Матеріали, для яких область  текучості СД значна, здатні без руйнування витримувати великі деформації. Такі матеріали називають пластичними. Якщо зона текучості матеріала  майже відсутня,  він без руйнування зможе витримувати лише невеликі деформації. Такі матеріали називають крихкими.

За межою текучості (точка D)  крива напружень підвищується і сягає максимума в точці Е.  Напруження, що відповідає точці Е, називають  тимчасовим опором або межою міцності  в:

 в= .

Після точки Е крива йде вниз і подальша деформація до руйнування (точка К) відбувається при  все менших напруженнях.

Міцність визначає здатність тіла чинити опір деформації та руйнуванню під  дією статичних чи динамічних навантажень. Чим більша міцність метала, тим меншими можуть бути розміри деталі при робочих навантаженнях,  тим менші витрати метала  на машину чи споруду.  Споруди та конструкції будуть надійними, якщо при експлуатації в них виникають напруження в декілька разів менші за межу міцності.

Число, яке показує, в скільки разів  межа міцності більша за допустиме напруження  доп, називають коефіцієнтом запасу міцності:

 .

Запас міцності вибирають в залежності  від багатьох факторів: якості матеріала, характера навантаження, ступеня безпеки.

Запас міцності вибирають в межах від 1,7 до 10. Після того, як вибрано запас міцності, визначають допустиме напруження в конструкції чи деталі за формулою : [ доп] =n×  в.

Межа пружності визначається як напруження, при якому залишкова деформація сягає  0,05 % 

( або менше) від початкової довжини зразка.

  пр=d 0,05= .

Напруження, яке викликає  залишкову  деформацію 0,02 % ,  називають умовною межою текучості:  0,2= .

Напруження, при якому відбувається деформація зразка  без збільшення розтягуючої сили,  називають фізичною межою текучості.

  т= .

Крім визначення характеристик міцності при випробуваннях на розтяг визначають також характеристики пластичності:

Відносне видовження  d = ,

де  к - довжина зразка після розтягу;

  о - початкова довжина зразка.

Відносне звужування

 %,

де F0 - площа перетину зразка до випробувань,

  Fк - площа зразка після розтягу.

На пружність і пластичність матеріалів суттєво впливає температура.

Наприклад, малопластичне при кімнатній температурі залізо стає м’яким та пластичним, якщо його нагріти  до 900-800 оС. Ця властивість заліза та інших матеріалів широко використовується в техніці при обробці та виготовленні металевих виробів.

Механічні властивості матеріалів  характеризують можливість їх використання в виробах, які експлуатують при механічних навантаженнях. Однією з головних задач науки та техніки  є створення міцних та надійних машин, верстатів та будівель з  найменшими витратами металу та  інших матеріалів.

Порівнюючи реальну міцність кристалів з значеннями, що одержані на основі теоретичних розрахунків, виявляютьі досить великі розбіжності.  Теоретична межа міцності в десятки і навіть в сотні разів перевищує значення, які одержують при випробуваннях реальних зразків.

Як з’ясувалось, причиною  розходження теоретичних і експерементальних значень є внутрішні та поверхневі  дефекти кристалів.

Дефекти атомно-кристалічної будови активно впливають на міцність матеріалів.  Залежність міцності металів від кількості дефектів в них  показане на рис. 3

 

Рис. 3 -Залежність міцності кристала від числа дислокацій:

ат — тимчасовий опір; я — число дислокацій; У — теоретична міцність;

2 — міцність «вусів»; 3 — критична, або мінімальна, міцність реальних кристалів; 4 — практична міцність

Як видно з малюнку, найменшу міцність мають метали  з щільністю дислокацій, яка приблизно дорівнює 106-108 см-2.  Якщо щільність дислокацій  менша, то опір деформації різко збільшується , і міцність наближається до теоретичної.  Підвищення міцності досягають також збільшенням кількості дефектів.

Для одержання кристалічних матеріалів  з високою міцністю потрібно вирощувати монокристали без дефектів, проте це дуже складна задача.

На сьогодні одержані кристали невеликих розмірів -  довжиною 2-10 мм  і товщиною 0,5-2 мкм,  які мають міцність, що наближається до теоретичної. Наприклад, межа міцності таких кристалів з заліза сягає 13000 МПа (для технічного заліза  300 МПа), міді - 3000 МПа  (для технічної міді 260 МПа),  цинку - 2250 МПа (для технічного - 180 МПа).

Сучасні методи зміцнення матеріалів базуються на збільшенні  кількості дефектів, внаслідок чого утворюються умови для гальмування дислокацій,  їх переміщення  ускладнюється. Для цього застосовують деформаційне зміцнення (нагартування),  термічну,  термомеханічну  та  хіміко-термічну обробку.

Важливою характеристикою механічних властивостей металів є твердість.

Твердість - це здатність матеріала чинити опір проникненню в нього іншого, твердішого тіла.  Випробування проводять шляхом вдавлювання індентора, виготовленого із загартованої сталі, твердого сплава, алмаза, сапфіра у вигляді кульки, конуса або пірамідки.  Найбільш поширеними є  методи Брінелля, Роквела, Віккерса.

Твердість по Брінеллю позначають НВ та визначають за формулою

НВ=  ,

де P - прикладене навантаження;

  D - діаметр індентора (кульки),

  d - діаметр відбитку, який утворився на поверхні  внаслідок  вдавлювання;

Твердість по Роквелу  визначають по різниці глибин вдавлювання індентора (алмазного  конуса або стальної кульки)  під дією двох послідовно накладених навантажень Р0 = 10 кг та Р1, яка дорівнює 140, 50 чи 90 кг. При використанні алмазного конуса твердість визначають за формулою :

HRC (HRA)= 100 -  де   ,

 - глибина вдавлювання індентора під дією попереднього навантаження (Р0);

h  -  глибина вдавлювання індентора під дією  повного навантаження (Ро+Р1).  Значення твердості  визначають по шкалі  А і  записують HRA,  або по шкалі С  і  записують HRC.

При використанні стальної кулі твердість визначають по шкалі В прилада Роквела за формулою HRB =130 - . Шкали А і С використовуються для випробувань матеріалів  з високою твердістю ;  шкала В - для матералів з низькою твердістю.

Твердість по Віккерсу визначають при вдавлюванні алмазної пірамідки  в поверхню зразка чи деталі  силою  Р.  Значення твердості визначають за формулою:  HV= =1,8544 ,кгс/мм

де Р - прикладена сила ,  кг

  d - середнє арифметичне  діагоналей відбитка , мм.

Широке застосування конструкційних матеріалів, найчастіше металів та їх сплавів, пояснюється тим, що вони досить міцні, тверді, пластичні та можуть зміцнюватися від пластичного деформування і термічної обробки. Використовують переважно металеві сплави, тому що їм можна надавати різноманітних властивостей.