Классификация металлических материалов

Металлы классифицируются на чистые металлы, сплавы, композиты.

Чистыми металлами называются металлы, у которых содержание основного компонента (металла) >99%.

Чистые металлы делятся на:

1) технически чистые [Me] ³ 99,5% <99,9

2) химически чистые [Me] ³ 99,99%

3) сверхчистые [Me] ³ 99,999%

Чистые металлы применяются как конструкционный материал редко, т.к. они дороже и не обладают достаточно высокой прочностью. Их используют для изготовления микросхем, проводки. 100%-й чистый металл получить не удалось.

Сплавы - это металлические материалы, которые содержат два или более химических элемента, содержание которых, как правило, не менее 1%. Исключение - железо-углеродистые сплавы (содержание углерода может быть менее 1%). Сплавы получают плавлением в жидком состоянии химических элементов, при остывании (кристаллизации) расплава образуется сплав. Элемент, который преобладает в сплаве, называется основным элементом, а тот, который находится в меньшем количестве, называется легирующим компонентом. В сплаве не может быть менее 50% основного компонента.

Композиционные материалы – это искусственно созданные неоднородные сплошные материалы, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. Они обладают набором свойств, отражающих не только исходные характеристики его компонентов, но и включающих новые свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. Одним из методов получения композитов является порошковая металлургия, при которой изделия получают прессованием и спеканием порошков. Например, твердый сплав ВК-6 – (победит) состоит из 94% порошков карбида вольфрама, 6% порошка кобальта.

Основными типами атомно-кристаллических решеток у чистых металлов являются:

1. ОЦК – решётка – объёмно-центрированный куб, где атомы расположены в узлах решётки и один в центре.

Рисунок - ОЦК-решетка

Такую решетку имеют a-железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др.

ОЦК обладает наилучшей прочностью

2. ГЦК – решётка – гранецентрированный куб, где атомы расположены не только в узлах, но и в центре каждой грани.

Рисунок - ГЦК-решетка

    Такую решетку имеют g-железо, алюминий, медь, никель, свинец и др.

ГЦК обладает наибольшей пластичностью.

3. Гексагональная решетка.

В основе расположен 6-ти гранник,

- простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

- плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости. Атомы – в вершинах и на пересечении диагоналей трех граней через одну. Такой тип решетки имеют: цинк, магний, бериллий, калий. Это хрупкие металлы.

Рисунок – Гексагональная плотноупакованная

Кристаллическая решётка характеризуется:

а) координационным числом – число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома (КЧ ОЦК - 8; КЧ ГЦК - 12);

б) периодом решетки – расстоянием между ближайшими параллельными атомными плоскостями;

в)  параметром решётки – расстоянием между атомами.

 

Температурный полиморфизм – способность металла в твёрдом состоянии изменять тип кристаллической решётки, а, следовательно и свойства при изменении температуры (нагреве и охлаждении).

Температура, при которой происходит это превращение, называется температурой полиморфизма или критической точкой. Частным случаем полиморфизма является аллотропия – способность в нормальных условиях иметь различное кристаллическое строение для одного и того же химического элемента (углерод, графит, алмаз).

    Например: a-железо (ОЦК-решетка) переходит в g-железо (ГЦК-решетка) при температуре 911°С. Температура 911°С является критической точкой.

Это явление наблюдается у железа, титана, никеля, кобальта и их сплавов. Оно лежит в основе термического упрочнения этих сплавов.

На пароходах, ходящих на севере используются серебряные припои, а не оловянные.

При переходе от одного типа решетки к другой резко меняется растворимость одного компонента в другом. Например в α –железе может максимально раствориться 0,02% С при 723 ⁰С, а в γ-железе -2,14% при 1147 ⁰С.

Тип и характеристики кристаллических решеток можно выявить, используя рентгеновскую установку.

 

 Линейные дефекты решеток. Эти дефекты имеют малые размеры в 2 ^х направлениях и большую протяженность в 3 ^м измерении. К этим дефектам относятся дислокации. Дислокации представляют собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней лишних атомных полуплоскостей. Лишняя атомная полуплоскость называется экстраплоскостью, а линия обрыва этой полуплоскости называется дислокацией (дислокационной линией).

 

Дислокационная структура – взаимное расположение дислокационных линий и их количество. Дислокационная структура выявляется с помощью электронных микроскопов с увеличением в десятки и сотни тысяч раз. Образцами служат тонкие угольные или кварцевые слепки (реплики), полученные с поверхности протравленного шлифа и воспроизводящие детали его рельефа, обусловленные действительной структурой металла.

    Количественно дислокационная структура оценивается с помощью плотности дислокаций. Плотность дислокаций – это суммарная длина дислокационных линий l(см), приходящаяся на единицу объема V кристалла (cм³).

r=ålсм/1см³ [см^-2],

где l – сумма дислокационных линий в 1см³ металла. Таким образом, размерность плотности дислокаций (см^-2).

Влияние дислокаций на свойства металла (кривая Одинга-Бочвара)

Диаграмма Одинга – Бочвара: 1 – теоретическая прочность; 2 – прочность усов (нитевидные кристаллы); 3 – 4 – фактическая (техническая) прочность.

Пути повышения прочности реальных металлов.

I – упрочнение легированием.

II – упрочнение с помощью холодной пластической деформации (наклёпа).

III – упрочнение термической обработкой

IV – комплексное легирование + термическая обработка

Наклеп и рекристаллизация

1. Наклеп

Наклепом называется упрочнение металла при холодной пластической деформации (без предварительного нагрева).

Физическая сущность упрочнения связана с повышением плотности дислокаций r в процессе пластической деформации блочной структуры металла. Причем с ростом степени деформации Е увеличивается плотность дислокаций r.

    Степень деформации – это степень изменения размеров в процессе деформации. Если мы деформируем лист металла с высотой Н₀, а после деформации получаем более тонкий лист Н_i, то степень деформации Е можно вычислить по формуле:

C увеличением степени деформации Е повышается прочность и снижается пластичность материала.

 

 

При наклёпе изменяется не только плотность дислокаций, но и зеренная структура. Структура наклепанного металла примечательна текстурой. До наклёпа зерно металла равноосное. В процессе деформации зёрна металла вытягиваются, сплющиваются вдоль направления деформации, превращаясь в неравноосные, сохраняя площадь поперечного сечения как у равноосных.

    Путем наклепа твердость и временное сопротивление s_в можно повысить в 1,5..3 раза, а предел текучести в 3…7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем ОЦК. Для металлов и сплавов, которые не упрочняются термической обработкой, наклеп является единственным методом повышения прочностных свойств.

    С точки зрения упрочнения наклеп полезен. Но имеются и недостатки.

Недостатки наклепа:

1. Как уже было сказано, наклепанный металл характерен наличием текстуры. Образование текстуры вызывает анизотропию свойств. Т.е. в продольном и поперечном направлении механические свойства различны, а в расчетах на прочность F=P/s_в принимаются минимальные значения s_в, следовательно увеличивается металлоемкость.

2. Повышение прочности сопровождается снижением пластичности материала, что в свою очередь затрудняет процессы пластической деформации.

3. Понижается коррозионная стойкость

    Для улучшения пластичности металл заготовок подвергают специальной термообработке - рекристализационному отжигу.

2. Рекристаллизация

- Рекристализация – это изменение текстурированной структуры на равноосную при нагреве наклепанного металла выше температуры рекристализации.

При этом полностью восстанавливаются механические свойства (s_в, d), которые имел металл до наклепа. Минимальная температура, при которой только начинается образование новых равноосных зерен на границах текстуры называется температурой реклистализации, Т_р.

    Эта температура определяется двумя способами:

1 Способ – аналитический (по формуле)

Т_р = a Т_пл, ⁰К,

где Т_пл – абсолютная температура плавления, ⁰К;

a - коэффициент, зависящий от состава металла:

для технически чистых металлов a = 0,4,

для сплавов a = 0,6 – 0,8.

Практическое значение температуры рекристаллизации.

1. Т_Р служит основой для расчета оптимальной температуры нагрева при рекристаллизационном отжиге наклепанного металла по формуле:

 

Т_ро=(Т_р -273) + (100°С¸150°С)

График рекристаллизационного отжига можно представить следующим образом:

 

 

Температура рекристаллизации служит научной основой для разделения технологического процесса ОМД на горячую (ГОМД) и холодную (ХОМД) обработку металлов давлением с использованием соотношений:

    Если Т_д>Т_р, то это ГОМД – металл перед ОМД предварительно нагревают.

    Если Т_д<Т_р, то это ХОМД – металл перед ОМД предварительно не нагревают.

где Т_д – температура деформации, ⁰К.

    Горячедеформированный металл обладает улучшенными свойствами KCV, d по сравнению с холоднодеформированным. Это связано с улучшением металлургического качества металла:

- завариваются литейные дефекты (рыхлости, пустоты и т.д.)

- измельчается зерно и неметаллические включения,

- уменьшается ликвация.

    однако точность размеров горячекатаного металла ниже, а у сталей присутствует окалина.