Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
13.3 Атомно-кристаллическое строение металлов В соответствии с научными представлениями металлы и сплавы в твер- дом состоянии – кристаллические тела. Атомы в них расположены законо- мерно в узлах кристаллической решетки и колеб- лются с частотой порядка 10 13 Гц. Связь в металлах и сплавах электростатическая, обусловленная силами притяжения и отталкивания между положительно заряженными ионами (атомами) в узлах кристалли- ческой решетки и коллективизированными элек- тронами проводимости, плотность которых состав- ляет 10 22 …10 23 см 3 , в 10 4 раз превышающая плот- ность воздуха в том же исчислении. От специфиче- ских свойств электронов проводимости зависят элек- тромагнитные, оптические, тепловые и другие свой- ства металлов (рисунок 236). Рисунок 236 – Координационные числа (плотность упаковки) кристаллических решеток: а – кубическая гранецентрированная (К 8), а - 3,68 Å; б – ку- бическая объемно центрированная (К 12), а - 2, 85 Å; в – гексаго нальная (К 12) Атомы в решетке стремятся занять положение, соответствующее их ми- нимальной энергии, и образуют плотнейшие упаковки – кубическую объемно центрированную (ОЦК − хром, молибден, ванадий, вольфрам, литий), кубиче- скую с центрированными гранями (ГЦК – алюминий, медь, никель, свинец, золото, серебро) и гексагональную (магний, кадмий, бериллий, α-Ti, α-Ζn). Период решетки для большинства металлов находится в пределах 0,1…0,7 нм. Некоторые металлы, например железо, могут существовать в не- скольких кристаллических формах с различным расположением ато- мов. Это явление называется алло- тропией , а само превращение одной решетки в другую при 910 о С (ГЦК, γ-феррит ↔ ОЦК, λ-феррит, δ- феррит) – полиморфным превраще- нием (рисунок 237). Рисунок 237 – Изменение кристаллическо- го строения (аллотропия) железа в зависи- мости от температуры Feγ Feα Feα 317 13.4 Диаграмма состояния железо – цементит в фазовом виде Процесс кристаллизации металлических сплавов описывают диаграммы состояния или фазового равновесия, получаемые на основе термического анализа. Они характеризуют окончательное состояние сплавов, в которых все фазовые превращения произошли и полностью закончились. На рисунках 238 и 239 представлены диаграммы состояния железо – цементит, которые условно представляют как Fe – C, имея в виду пропорциональное содержание углерода и цементита в жидкой фазе или аустените при обычном и ускорен- ном охлаждении значительно больше, чем графита, последний выделяется только при медленном охлаждении сплава. В сплавах системы Fe-Fe 3 C встречаются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы на основе различных кристаллических модифика- ций железа и химическое соединение Fe 3 C (цементит). Рисунок 238 – Схемы микроструктур стали в равновесном состоянии. Условное обозначе- ние структурных составляющих: 1 – феррит; 2 – цементит; 3 – перлит; а – ферритная; б – ферритно-цементитная; в – фер- ритно-перлитная, г – перлитная; д – перлитно-цементитная 318 Рисунок 239 – Фазовая диаграмма состояния же- лезо-цементит Жидкая фаза представляет собой неорганический рас- твор железа и углеро- да, распространяю- щийся выше линии ликвидус АСD – от 0 до 6,67 % С. В данной си- стеме имеются твер- дые растворы железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они яв- ляются твердыми растворами внедрения , т.е. атомы железа занимают узлы пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях. Твердый раствор углерода в -железе (феррит) занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу QPG. Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый раствор углерода в -железе (аустенит) с гранецентрированной кубической решеткой. При обычном охлаждении в металлической изложнице, т.е. при значи- тельных переохлаждениях ( Т) процесс затвердевания протекает по мета- стабильной диаграмме. Углерод в этом случае находится в связанном состоя- нии в виде карбида железа Fe 3 C. Линии, точки, концентрации, температуры. Все линии диаграммы можно разделить на следующие группы согласно таблице 55. Линия ликвидус – начало затвердения при охлаждении или конец плав- ления при нагревании (АСD). Таблица 55 – Характеристики линий диаграммы Индекс линий Температурный интервал, С Интервал концентра- ций (% углерода) Основная характеристика линии Линия ликвидуса АС СD 1539 – 1147 1147 1600 0 – 4,3 4,3 – 6,67 Линия ликвидус (начало затвер- девания аустенита). Линия ликвидус (начало затвер- девания первичного цементита) Линия солидуса 319 АЕ 1539 – 1147 0 – 2,14 Конец затвердевания аустенита ЕСF 1147 2,14 – 6,67 Линия эвтектического равнове- сия Линии превращения в твердом состоянии SE 727 – 1147 0,8 – 2,14 Линия ограниченной растворимо- сти углерода в аустените. Начало выделения вторичного цементита. GS 911 – 727 0 – 0,8 Начало аллотропического превра- щения аустенита в феррит GP 911 – 727 0 – 0,025 Конец аллотропического превра- щения (аустенита в феррит) PSK 727 0 ,025 – 6,67 Линия эвтектоидного равновесия аустенита, феррита и цементита PQ 727 – комн. 0,025 – 0,006 Линия выделения третичного це- ментита Линия солидус – конец затвердевания при охлаждении и начало плав- ления при нагревании; линии превращения в твердом состоянии (АЕСF). Из них особо выделяются горизонтальные линии (параллельные оси составов), отвечающих нонвариантному равновесию. В таблице 1 приведены основные характеристики линий диаграммы. Точка А (1539 о С) соответствует температуре плавления чистого железа, точка D (1250 о С) – температуре плавления цементита. Точки N (1392 о С) G (910 о С) соответствуют полиморфному превращению α-Fe ↔ γ-Fe. Точка Е характеризует предельную растворимость углерода (2,14%) в γ-Fe. Верхний левый угол диаграммы характеризует аллотропическое превращение α (δ)- Fe ↔ γ-Fe при высоких температурах. В интервале температур 1392…1539 о С α-Fe нередко обозначается как δ-Fe. До точки Кюри (768 о С) железо ферромагнит- но, выше парамагнитно. Линия PQ показывает изменение растворимости уг- лерода в низкотемпературном α-Fe. Концентрация углерода в характерных точках диаграммы приводится в таблице 56. Таблица 56 – Характеристики точек диаграммы Индекс точки Содержание углерода, % Температура, С Характеристика А 0 1539 Точка затвердевания жидкого железа С 4,3 1147 Состав жидкой фазы при эвтектиче- ском равновесии с аустенитом и це- ментитом Е 2,14 1147 Предельное содержание углерода в аустените. Состав аустенита при эв- тектическом равновесии с жидкой 320 фазой и цементитом S 0,8 727 Состав аустенита при эвтектоидном равновесии с ферритом и цементитом Р 0,025 727 Предельное содержание углерода в феррите. Состав феррита при эвтек- тоидном равновесии с аустенитом и цементитом Q 0,006 Комнатная Предельное содержание углерода в феррите при комнатной температуре Горизонтальные линии диаграммы. В системе железо-цементит имеет место безвариантное трехфазное равновесие: при эвтектическом метастабиль- ном (1147 С) равновесии , при метастабильном (727 С) эвтектоидном равно- весии В таблице 57 приведены линии трехфазного равновесия. Стали после затвердевания не содержат легкоплавкой эвтектики – ледебу- рита (точка С на диаграмме состояния), характерной для чугуна при содержа- нии углерода 4,3 %. При высоком нагреве стали имеют структуру чистого аустенита. Эвтектоидная структура перлита образуется при концентрации уг- лерода в сплаве 0,8 % (линия РSK). Таблица 57 – Линии трехфазного равновесия Индекс линии Температура равновесия, С Фазы, нахо- дящиеся в равновесии Название превра- щения Взаимодействие фаз ECF 1147 Ж+А+Ц эвтектическое Ж с АE e +Ц (ледебурит) РSK 727 А+Ф+Ц эвтектоидное A с Ф p +Ц (перлит) В зависимости от процентного содержания углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие наименования: техническое железо (С ≤ 0,02 %), доэвтектоидные стали (С = 0,02…0,8 %), эвтектоидные стали (С = 0,8 %), заэвтектоидные стали (С = 0,8…2,14 %), доэвтектоидные чугуны (С = 2 14…4,3 %), эвтектика (С = 4,3 %), заэвтектоидные чугуны (С = 4,3…6,67 %). Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации имеют раз- личную структуру, но одинаковый фазовый состав, при температурах ниже 727 о С они состоят из феррита и цементита. Существует определенная связь между типом диаграммы, пластичными и литейными свойствами сплавов. Твердые растворы имеют низкие литейные свойства и склонность к образованию рассеянной пористости и трещин. Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в сплавах 321 должна превышать их предельную растворимость в твердом состоянии и при- ближаться к эвтектическому составу. Поэтому чугуны обладают лучшими ли- тейными свойствами, чем стали. Для обеспечения пластичных свойств спла- вов концентрация компонентов не должна превышать их предельной раство- римости при эвтектической температуре. 13.5 Свойства металлов и сплавов К основным свойствам, характеризующим металлы, а также сплавы на их основе, относятся физические, механические, химические и технологиче- ские свойства. Важнейшими физическими свойствами являются: плотность, темпера- тура плавления и кипения, теплопроводность, тепловое расширение, теплоем- кость и электрические свойства. Металлы и сплавы различаются также по цвету, некоторые из них имеют специфический запах. Название 76 элемента – осмий, оно происходит от греческого слова οσμη, что означает «запах». Ос- мий имеет неприятный раздражающий запах, похожий одновременно на запа- хи хлора и чеснока. Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света – это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном со- стоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий – из этих металлов изготовляют зеркала. Цвет у большинства металлов примерно одинаковый – светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий имеют соответственно жёлтый, красный и светло-жёлтый цвет. Нет ничего необычного в том, что любой из известных нам металлов, подвергаясь какой-либо обработке, может менять цвет. «Палитра» того или иного металла зависит и от степени нагрева, и от самой обработки, и от химических свойств. Но в природе нет голубого золота или красного серебра. Напротив, железо, а соответственно сталь и чугун во всех своих «ипостасях», имеет несравнимую ни с каким другим металлом цветовую растяжку. В холодном состоянии оно может быть серым, черным, почти белым, голубым, и синим, золотистым и красноватым. Более того, железо является единственным металлом, который может сам себя украшать декоративным орнаментом, проступающим как бы изнутри. Вари- анты этого фактурного орнамента бесконечны, и их нельзя причислить ни к одному из общеизвестных, так как этот рисунок рождается самим ме- таллом. Плотность чугуна составляет 7000…7800 кг/м 3 , стали – 7800…7900 кг/м 3 , ртути (жидкой) – 13600 кг/м 3 Температура плавления стали 1300…1400 о С; расплавленные (жидкие) металлы кипят при следующих температурах, о С: 1740 (свинец), 2270 (олово), 2600 (медь), 3200 (чистое железо). Осмий – оловянно-белый металл с серовато-голубым оттенком. Это са- мый тяжелый из всех металлов (его плотность 22,6 г/см 3 ) и один из самых 322 твердых (7,0 по шкале Мооса). Тем не менее, осмиевую губку можно расте- реть в порошок, поскольку он хрупок. Плавится осмий при температуре око- ло 3000 °C, а температура его кипения до сих пор точно не определена. Пола- гают, что она лежит где-то около 5500 °C. Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд элек- тропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Коэффициент теплопроводности у стали 58 Вт/м∙ о С, для сравнения у гранита – 2,92, бетона – до 1,55, воды – 0,599, воздуха – 0,023. Удельная теп- лопроводность, кДж/кг∙ о С: у алюминиевых сплавов – 0,9, чугуна – 0,5, стали – 0,46…0,48, меди и бронзы – 0,38, для сравнения у сосны – 2,51 и бетона – 0,8…0,92. Все металлы хорошо проводят электрический ток ; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемеща- ющихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два ме- талла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Коэффициент линейного расширения у стали 1,14∙10 -6 , а у алюминия примерно вдвое больше; наименьшее электрическое сопротивление среди технических металлов имеет медь (1,67∙10 -4 Ом∙м), у алюминия оно в 1,6, у железа в 5,8 раз больше. К механическим свойствам относятся прочность, пластичность, твер- дость, ударная вязкость и истираемость. Металлы отличаются высокой прочностью, как при сжатии, так и при растя- жении. Например, предел прочности при сжатии у серого чугуна составляет 100…200 МПа, у обычных сталей – 350…400 МПа, у качественных сталей – в 1,25 раза выше, чем у обычных сталей. Большинство металлов являются пластичными – металлическую про- волоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу тол- щиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ло- маются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, ста- новится хрупким и более твёрдым. Пластические свойства металлов характеризуются относительным удлинением, δ = [(l к – l о )/l о ]·100 % и сужением ψ = [(А о – А к )/А о ]·100 %, где l к , l о и А к , А о – соответственно длина и площадь поперечного сечения образца до и после разрушения. Пластичность металлов учитывается при обработке заго- 323 товок для получения из них готовых изделий. Ковкие металлы испытывают на пластичность, изготовляя пробные поковки. Из тяжелых металлов наиболее пластичны медь и свинец, относительное удлинение которых соответственно достигает 60 и 55 %. Однако, относительное удлинение меди после механиче- ской обработки (наклепа) снижается до нескольких процентов. 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 упруго- сти δ 0,05 , относительное удлинение δ и относительное поперечное сужение ψ. Условный предел текучести соответствует напряжению, вызывающе- му остаточную деформацию 0,2 %. Этот показатель введен в связи с тем, что в металлах повышенной прочности площадка текучести не всегда четко реги- стрируется, в связи с чем, определение физического предела текучести стано- вится неопределенным. Условный предел упругости соответствует напряже- нию, вызывающему остаточную деформацию 0,05 %. Усталостная прочность определяется для конструкций, подверженных знакопеременному нагружению. Испытание на усталость (выносливость) производится на специальных машинах, обеспечивающих знакопеременные напряжения: изгиб, поперечное сжатие и растяжение, кручение и ударную нагрузку. Твердость зависит от состава и строения металла. Чем тверже металл, тем шире возможности его применения для изготовления деталей машин и инструмента. Твердость серого чугуна – 1000…1200 МПа, качественных ста- лей – в 2…2,5 раза больше. Наибольшая твердость, близкая к твердости ал- маза, у карбида ванадия, вольфрама, титана и циркония, их используют для изготовления резцов, фрез и буровых головок. Твердость определяется как сопротивление материала вдавливанию в него постороннего тела (шарика, конуса или пирамиды) при приложении определенной нагрузки (рисунок 240). Рисунок 240 – Схема определения твердо- сти: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу Твердость по Бринеллю (Н/м 2 ) рассчитывают по формуле: НВ = 2/ πD(D –√D 2 – d 2 ), где Р – нагрузка, Н; D – диаметр стального шарика, мм. В приборе принят D = 1·1 -2 м; d – диаметр отпечатка (лунки), м. При испытании значение Р принимают: для стали и чугуна – 3·10 3 Н, ме- ди и сплавов – 1·10 4 Н, а очень мягких металлов (алюминия, баббита) – 2,5·10 3 324 Н. Метод применим для металлов и сплавов с твердостью не более 4500 МПа, так как при большей твердости стальной шарик может деформироваться. Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах по формулам: НR = 100 – e (при вдавливании алмазного конуса с углом при вершине 120 о ), НR = 130 – e (при вдавливании стального шарика, D = 1,588·10 -3 м), где е – = (h – h о )/2·10 -6 , h – глубина внедрения наконечника, м (под действием общей нагрузки Р после снятия основной нагрузки Р 1 ); h о – глубина внедрения наконечника под действием предварительной нагрузки Р о , м. Предварительная нагрузка Р о при испытаниях независимо от вида нако- нечника принята 100 Н; основная Р 1 для стального шарика – 900 Н (шкала В), алмазного конуса – 1400 Н (шкала С) и 500 Н (шкала А). В соответствии с этим твердость по Роквеллу обозначается НRА, НRВ, НRС. Метод широко применяется в промышленности, особенно для твердых и тонколистовых ме- таллов и сплавов. Твердость по Виккерсу определяют по формуле (МПа): НV = 1,8544 (Р/d 2 )·10 -6 , где Р – нагрузка на алмазную пирамиду от 500 до 1200 Н; d – среднеарифметическое значение двух диагоналей отпечатка, мм. Твердость по Виккерсу обозначается НV5, НV10 и т.д. Чем тоньше и тверже металл или сплав, тем меньше должна быть нагрузка при испытании. Для определения микротвердости мелких изделий и структурных состав- ляющих металлов используют также метод Виккерса в приборном сочетании с металлографическим микроскопом (рисунок 241). Рисунок 241 – Металлографи- ческий микроскоп с установлен- ной цифровой фотокамерой, со- единенной с компьютером. На экран монитора выведено уве- личенное изображение микро- структуры деформированной стали 04Х18Н10Т Испытание металлов на вязкость разрушения прово- дят на стандартных образ- цах с надрезом при трехточечном изгибе. Метод позволяет оценить сопротив- ление металла распространению, а не зарождению трещины или трещинопо- добного дефекта любого происхождения, всегда имеющегося в металле. Вяз- кость разрушения оценивается параметром К, представляющим собой коэф- фициент интенсивности напряжений или локальное повышение растягиваю- щих напряжений (МПа) в вершине трещины: К = Yσ н √πС. Условие стабильного существования трещины без ее роста и развития будет К < K lc , где K lc – критический коэффициент интенсивности напряжений при плос- 325 ком напряженном состоянии и деформации. Он характеризует трещиностойкость металла и является структурно-чувствительной характеристикой; уменьшает- ся при понижении температуры, увеличении скорости приложения нагрузки и коррозии металла. На ударную вязкость (сопротивление удару) проверяют детали машин и инструменты, работающие при кратковременных больших нагрузках. Испы- тание проводят на маятниковых копрах (маятник с грузом поднимается на определенную высоту, а затем падает, ударяя по образцу в месте предвари- тельно сделанной риски). Например, у серого чугуна ударная вязкость состав- ляет 0,5…1 Дж/м 2 , у стальных отливок – 2…7 Дж/м 2 На истираемость испытывают подшипники, цилиндры машин, кольца поршней, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях повы- шенного трения. Истираемость оценивается величиной потери массы тру- щихся поверхностей или временем истирания отпечатка, выдавленного на по- верхности образца алмазным инструментом. Химические свойства металла связаны с его способностью сопротив- ляться коррозии, возникающей в результате химического и электрохимиче- ского воздействия на него внешней агрессивной среды. О скорости коррозии судят по потере массы металла с единицы площади его поверхности в едини- цу времени, г/м 2 ∙ч, или по глубине слоя разрушенного металла. Технологические свойства определяют поведение металлов при раз- личных видах обработки. В соответствии с этим различают литейные свой- ства (жидкотекучесть, температуру плавления и усадку), ковкость и вытяжку (характеризуют возможность обработки металла давлением), способность к обработке резанием и т.д. Проволоку проверяют на скручивание, навивая ее на стержень соответствующего диаметра. Технологические пробы определяют возможность выполнять различ- ные технологические операции, связанные с деформацией металла. Для этого производят испытание на вдавливание, перегиб, осадку, свариваемость и т.д. |