Структура и свойства металлов

Структура металлов обусловлена наличием в их кристаллической решетке большого числа свободно перемещающихся электронов, которые не связаны или слабо связаны с положительно заряженными ядрами атомов и принадлежат всему объему материала в целом. Таким образом, электроны являются как бы общими для отдельных атомов.

Общие электроны образуют «электронный газ», который свободно двигается между ионами и скрепляет их друг с другом. Такая способность металлической связи определяет стремление атомов металлов располагаться как можно плотнее.

Компактная упаковка атомов приводит к повышенной плотности металлов, что обусловливает их характерные свойства. К ним относятся:

− высокий модуль упругости (модуль Юнга);

− высокая электропроводность

− высокая теплопроводность;

− высокая пластичность;

− высокая температура плавления.

Свойства некоторых металлов представлены в табл. 12.1.

 

Таблица 12.1. Физические свойства металлов

 

Металл	Плотность, кг/м^3	Модуль упругости, Н/мм^2	Относительное удлинение, %	Температура плавления, °С	Временное сопротивление, МПа
Алюминий		0,71
Железо		2,17
Магний		-
Медь		1,21
Никель		-
Сталь	-	2,2	-	-	-
Чугун	-	0,8-1,6	-	-	-

 

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, которое характеризуется определенным закономерным расположением атомов. Атомы в кристалле металла образуют пространственную кристаллическую решетку, состоящую из многократно повторяющихся ячеек, имеющих относительно простую форму.

Обычно металлы используют не в чистом виде, а в виде сплавов.

Металлические сплавы – это вещества, образовавшиеся в результате затвердевания жидких расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов. Компоненты, образующие сплав, представляют собой химически индивидуальные вещества или их устойчивые соединения. Металлические сплавы могут состоять либо только из металлов (например, сплав меди и цинка – латунь), либо из металлов с небольшим количеством неметаллов (например, сплав железа с углеродом – чугун и сталь).

После затвердевания в составе сплавов могут образоваться: твердые растворы, химические соединения или механические смеси.

Твердые растворы образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла (растворителя) атомов другого металла или неметалла (растворяемого компонента). По типу расположения атомов растворяемого компонента в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы замещения и внедрения.

Твердый раствор замещения образуется в результате замены части атомов в кристаллической решетке основного металла атомами растворяемого компонента. Примерами твердых растворов замещения служат сплавы меди с никелем, железа с никелем, хромом, кремнием, марганцем.

Твердый раствор внедрения образуется, если атомы растворенного компонента размещаются в свободных промежутках между атомами основного металла. Обычно твердый раствор внедрения вызывает в системе, состоящей из металла и неметалла, например, в сплаве железа с углеродом. У металлов, образованных по принципу твердых растворов, повышается прочность, твердость, электрическое сопротивление, но при этом понижается пластичность.

Твердые растворы являются основой технических сплавов: конструкционных, нержавеющих и кислотоупорных сталей, бронз и латуней.

Химические соединения образуются при сохранении строгого количественного соотношения компонентов. Примером химического соединения является карбид железа (цементит), который входит в состав сплава железа с углеродом:

3 Fe + C = Fe₃C.

Цементит характеризуется высокой прочностью и твердостью, но очень хрупок.

Примерами химических соединений металла с металлом (интерметаллические химические соединения) являются соединения алюминия с медью CuAℓ₂, магния с цинком MgZn₂ и др. Присутствие химических соединений упрочняет сплавы, но одновременно снижает их пластичность.

Механические смеси образуются в результате срастания кристалликов чистых элементов, твердых растворов или химических соединений.

В кристаллах, входящих в состав механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка исходных компонентов сплава. Таким образом, каждый из компонентов сохраняет свои специфические свойства.

Установлено, что большинство металлов имеет зернистую структуру. Зерна имеют неправильную форму размером в десятые доли миллиметра и представляют собой отдельные кристаллы. Таким образом, даже малый образец металла состоит из большого количества различным образом ориентированных кристаллов, соединяющихся между собой общими для них границами.

Структура реальных сплавов существенно отличается от идеального строения кристаллов. В реальном металле всегда имеются нарушения макро- и микроскопического характера (поры, газовые и неметаллические примеси, микротрещины и пр.), а также дефекты кристаллического строения, связанные с нарушением правильного расположения атомов в самой кристаллической решетке. Все эти виды нарушений структуры (особенно несовершенство кристаллического строения) обобщенно называются дислокациями.

Вследствие присутствия в металле дислокаций теоретическая прочность не реализуется. Прочность реальных кристаллов обычно составляет не более 1…5 % теоретической, рассчитанной по силам связи между атомами. В конструкции же, когда на эксплуатационные характеристики металла оказывают влияние такие факторы, как наличие надрезов, напряженное состояние, температурные условия эксплуатации, агрессивность окружающей среды, как правило, используется только от 40 до 80 % прочности исходного металла. Все это делает очень актуальным создание материалов с высоким уровнем эксплуатационных свойств.

В зависимости от условий применения и назначения металлов для их характеристики определяют следующие свойства:

− физические – плотность, электропроводность, теплопроводность, и др.;

− химические – растворимость, коррозионная стойкость;

− механические – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость;

− технологические – ковкость, свариваемость, обрабатываемость.

Основными характеристиками металла, оказывающими определяющее влияние на эксплуатационные свойства, являются прочность, пластичность, ударная вязкость, усталостная прочность (для конструкции, подверженных знакопеременному нагружению), температура перехода в хрупкое состояние Т_хр (порог хладноломкости). Характеристики прочности и пластичности обычно определяются на стандартных образцах при испытании на разрыв. Ими являются: временное сопротивление σ_в, условный предел текучести σ_0,2, условный предел упругости σ_0,05, относительное удлинение δ.

Условный предел текучести σ_0,2 соответствует напряжению, вызывающему остаточную деформацию 0,2 %. Этот показатель введен в связи с тем, что в металлах повышенной прочности площадка текучести не всегда четко регистрируется, в связи с чем определение физического предела текучести становится неопределенным.

Условный предел упругости соответствует напряжению, вызывающему остаточную деформацию 0,05 %.

Твердость определяется как сопротивление материала вдавливанию в него постороннего тела (шарика, конуса, пирамиды) при приложении определенной нагрузки.

Испытание на ударный изгиб производится на маятниковых копрах: определяют работу, затраченную на разрушение образца, и относят ее к его поперечному сечению. Металлы, легко разрушающиеся, относятся к хрупким, а хорошо сопротивляющиеся ударам – к вязким.

Испытание на усталость (выносливость) производится на специальных машинах, обеспечивающих знакопеременные напряжения: изгиб, поперечное сжатие и растяжение, кручение и ударную нагрузку. Технологические пробы определяют возможность выполнять различные технологические операции, связанные с деформацией металла. Для этого производят испытания на вдавливание, перегиб, осадку, свариваемость и др.