Металлические материалы

      Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.

      На  диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс – содержание в сплавах углерода до 6,67 % т.е. до такого количества, при котором образуется химическое соединение Fe₃C – цементит. Пунктирными линиями нанесена диаграмма состояния для системы железо – графит, так как возможен распад цементита Fe₃С.

      Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

      Все линии на диаграмме соответствуют  критическим точкам, т. е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах. Критические точки для стали впервые открыл русский ученый-металлург Д.К. Чернов.

      Линия ACD – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), линия AECF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса). Только чистые металлы и эвтектика плавятся и затвердевают при постоянной температуре. Затвердевание всех остальных сплавов происходит постепенно, причем из жидкого сплава сначала выделяется избыточный по отношению к составу эвтектики компонент. Область AESG на диаграмме соответствует аустениту. Линия GS – начало выделения феррита, а линия SE – вторичного цементита. Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.

      В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы получают следующие названия:

      При  содержании  углерода  <0,83 % – доэвтектоидные стали

      »               »                   »  0,83%  – эвтектоидные стали

      »               »                   »  0,83...2% – заэвтектоидные стали

      »               »                   »  2,0...4,3% – доэвтектические чугуны

      »               »                   »  4,3.. .6,67% – заэвтектические чугуны

      С увеличением содержания углерода в  железоуглеродистых сплавах меняется и структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество феррита. Чем больше углерода в сплавах, тем выше твердость, прочность, но ниже их пластические свойства. Механические свойства сплавов зависят также от формы и размера частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали тем выше, чем тоньше и мельче частицы феррита и цементита. [2, стр. 302-308] 

      СВОЙСТВА  МЕТАЛЛОВ 

      Химические  свойства.

      В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов, различают металлы главных и побочных подгрупп. Металлы главных подгрупп (подгруппы а) называются также непереходными. Эти металлы характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение s-и p-электронных оболочек. В атомах металлов побочных подгрупп (подгруппы б), называемых переходными, происходит достраивание d- и f-оболочек, в соответствии с чем их делят на d-группу и две f-группы – лантаноиды и актиноиды. В подгруппы а входят 22 металла: Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (I a); Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (II a); Al, Ga, In, Tl (III a); Ge, Sn, Pb (IV a); Sb, Bi (V a); Po (VI a). В подгруппы б входят: 1) 33 переходных металла d-группы [Сu, Ag, Аи (I б); Zn, Cd, Hg (II б); Sc, Y, La, Ac (III 6); Ti, Zr, Hf, Ku (IV б); V, Nb, Та, элемент с Z = 105 (V б); Сr, Mo, W (VI б); Mn, Тс, Re (VII б); Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt (VIII б)]; 2) 28 металлов f-группы (14 лантаноидов и 14 актиноидов).

      Электронная структура атомов некоторых d-элементов имеет ту особенность, что один из электронов внешнего уровня переходит на d-подуровень. Это происходит при достройке этого подуровня до 5 или 10 электронов. Поэтому электронная структура валентных подуровней атомов d-элементов, находящихся в одной подгруппе, не всегда одинакова. Например, Cr и Мо (подгруппа VI б) имеют внешнюю электронную структуру соответственно 3d⁵4s¹ и 4d⁵5s¹, тогда как у W она 5d⁴6s². В атоме Pd (подгруппа VIII 6) два внешних электрона «перешли» на соседний валентный подуровень, и для атома Pd наблюдается d¹⁰ вместо ожидаемого d⁸s².

      Металлам  присущи многие общие химические свойства, обусловленные слабой связью валентных электронов с ядром атома: образование положительно заряженных ионов (катионов), проявление положительной валентности (окислительного числа), образование основных окислов и гидроокисей, замещение водорода в кислотах и т.д. Металлические свойства элементов можно сравнить, сопоставляя их электроотрицательность [способность атомов в молекулах (в ковалентной связи) притягивать электроны, выражена в условных единицах]; элементу присущи свойства металла тем больше, чем ниже его электроотрицательность (чем сильнее выражен электроположительный характер).

      Если  расположить металлы в последовательности увеличения их нормальных потенциалов, получим так называемый ряд напряжений или ряд активностей. Рассмотрение этого ряда показывает, что по мере приближения к его концу – от щелочных и щёлочноземельных металлам к Pt и Аи – электроположительный характер членов ряда уменьшается. Металлы от Li по Na вытесняют Н₂ из Н₂О на холоду, а от Mg по Тl – при нагревании. Все металлы, стоящие в ряду выше Н₂, вытесняют его из разбавленных кислот (на холоду или при нагревании). Металлы, стоящие ниже Н₂, растворяются только в кислородных кислотах (таких, как концентрирированная H₂SO₄ при нагревании или HNO₃), a Pt, Аи – только в царской водке (Ir нерастворим и в ней).

      Металлы от Li no Na легко реагируют с О₂ на холоду; последующие члены ряда соединяются с О₂ только при нагревании, a Ir, Pt, Аи в прямое взаимодействие с О₂ не вступают. Окислы металлов от Li no Al и от La no Zn трудно восстановимы; по мере продвижения к концу ряда восстановимость окислов увеличивается, а окислы последних его членов разлагаются на металлы и О₂ уже при слабом нагревании. О прочности соединений металлов с кислородом (и др. неметаллами) можно судить и по разности их электроотрицательностей: чем она больше, тем прочнее соединение [3, стр. 133-134].

      Физические  свойства.

      Большинство металлов кристаллизуется в относительно простых структурах – кубических и гексагональных ЛГУ, соответствующих наиболее плотной упаковке атомов. Лишь небольшое число металлов имеет более сложные типы кристаллических решёток. Многие металлы в зависимости от внешних условий (температуры, давления) могут существовать в виде двух или более кристаллических модификаций.

      Электрические свойства. Удельная электропроводность металлов при комнатной температуре σ~10^-6–10^-4 ом^-1 см^-1, тогда как у диэлектриков, например, у серы, σ~10^-17 ом^-1 см^-1. Промежуточные значения σ соответствуют полупроводникам. Характерным свойством металлов как проводников электрического тока является линейная зависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрического поля. Носителями тока в металлах являются электроны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Согласно квантово-механическим представлениям, в идеальном кристалле электроны проводимости (при полном отсутствии тепловых колебаний кристаллической решётки) вообще не встречают сопротивления на своём пути. Существование у реальных металлов электросопротивления является результатом нарушения периодичности кристаллической решётки. Эти нарушения могут быть связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций и др. дефектов в кристаллах. На тепловых колебаниях и дефектах (а также друг на друге) происходит рассеяние электронов.

      При нагревании металлов до высоких температур наблюдается «испарение» электронов с поверхности металлов (термоэлектронная эмиссия). Эмиссия электронов с поверхности металлов происходит также под действием сильных электрических полей ~ 10⁷ в/см в результате туннельного просачивания электронов через сниженный полем потенциальный барьер. В металлах наблюдаются явления фотоэлектронной эмиссии, вторичной электронной эмиссии и ионно-электронной эмиссии. Перепад температуры вызывает в металлах появление электрического тока или разности потенциалов

      Тепловые  свойства. Теплоёмкость металлов обусловлена как ионным остовом (решёточная теплоёмкость С_р), так и электронным газом (электронная теплоёмкость С_э). Хотя концентрация электронов проводимости в металлах очень велика и не зависит от температуры, электронная теплоёмкость мала и у большинства металлов наблюдается только при температурах в несколько градусов кельвина. Теплопроводность металлов осуществляется главным образом электронами проводимости.

      Магнитные свойства. Переходные металлы с недостроенными f- и d-электронными оболочками являются парамагнетиками. Некоторые из них при определённых температурах переходят в магнитоупорядоченное состояние. Магнитное упорядочение существенно влияет на все свойства металлов, в частности на электрические свойства: в электросопротивление вносит вклад рассеяние электронов на колебаниях магнитных моментов. Гальваномагнитные явления при этом также приобретают специфические черты.

      Магнитные свойства остальных металлов определяются электронами проводимости, которые вносят вклад в диамагнитную и парамагнитную восприимчивости металлов, и диамагнитной восприимчивостью ионного состава. Магнитная восприимчивость X большинства металлов относительно мала (X ~ 10^-6) и слабо зависит от температуры.

      Механические  свойства. Многие металлы обладают комплексом механических свойств, обеспечивающим их широкое применение в технике, в частности в качестве конструкционных материалов. Это, в первую очередь, сочетание высокой пластичности со значит, прочностью и сопротивлением деформации, причём соотношение этих свойств может регулироваться в большом диапазоне с помощью механических и термических обработки металлов, а также получением сплавов различного состава.

      Исходной  характеристикой механических свойств металлов является модуль упру гости G, определяющий сопротивление кристаллической решётки упругому деформированию и непосредственно отражающий величину, сил связи в кристалле. В монокристаллах эта величина, как и остальные механические характеристики, анизотропна и коррелирует с температурой плавления металла (например, средний модуль сдвига G изменяется от 0,18-10¹¹ эрг/см³ для легко плавкого Na до 27•10¹¹ эрг/см³ для тугоплавкого Re).

      Сопротивление разрушению или пластической деформации идеального кристалла примерно 10^-1 G. Но в реальных кристаллах эти характеристики, как и все механические свойства, определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокация. Перемещение дислокаций по плотноупакованным плоскостям приводит к элементарному акту скольжения – основному механизму пластической деформации металла. Важнейшая особенность металлов – малое сопротивление скольжению дислокации в бездефектном кристалле. Это сопротивление особенно мало в кристаллах с чисто металлической связью, которые обычно имеют плотноупакованные структуры. В металла с ковалентной компонентой межатомной связью, имеющих объемно-центрированную решётку, сопротивление скольжению несколько больше, однако всё же мало по сравнению с чисто ковалентными кристаллами. Сопротивление пластической деформации, по крайней мере в металлах с гранецентрированной кубической и гексагональной решётками, связано с взаимодействием движущихся дислокаций с др. дефектами в кристаллах, с др. дислокациями, примесными атомами, внутренними поверхностями раздела. Взаимодействие дефектов определяется искажениями решётки вблизи них и пропорционально G. Для отожжённых монокристаллов начальное сопротивление пластической деформации (предел текучести) обычно ~     10^-3–10^-4 G. Для монокристаллов металлов характерно наличие трёх стадий деформационного упрочнения. На 1-й стадии значительная часть дислокаций выходит на поверхность и коэффициент упрочнения мал; на 2-й стадии дислокации накапливаются в кристалле, их распределение становится существенно неоднородным. На 3-й стадии плотность дислокации, G и коэффициент упрочнения уменьшаются вследствие аннигиляции дислокаций, выдавливаемых из их плоскостей скольжения. Значение этой стадии больше для металлов с объемно-центрированной решёткой.

      При Т > 0,5 Т_пл в пластической деформации начинают играть существенную роль точечные дефекты, в первую очередь вакансии, которые, оседая на дислокациях, приводят к их выходу из плоскостей скольжения. Если этот процесс достаточно интенсивен, то деформация не сопровождается упрочнением: металл течёт с постоянной скоростью при неизменной нагрузке (ползучесть). Протекание процессов релаксации напряжений и постоянная разрядка дислокационной структуры обеспечивают высокую пластичность металлов при их горячей обработке, что позволяет придавать изделиям из металлов разнообразную форму. Отжиг сильно деформированных монокристаллов металлов нередко приводит к образованию поликристаллов с малой плотностью дислокаций внутри зёрен (рекристаллизация).

      Достижимые  степени деформации металлов ограничены процессом разрушения. По мере роста плотности дислокаций при холодной деформации растёт неравномерность их распределения, приводящая к концентрации напряжений в местах сгущения дислокаций и зарождению здесь очагов разрушения – трещин. В реальных кристаллах такие концентрации напряжений имеются и в исходном недеформированном состоянии (скопление примесей, частицы др. фаз и т.п.). Но вследствие пластичности металла деформация вблизи опасных мест снимает напряжения и предотвращает разрушение. Однако если сопротивление движению дислокаций растёт, то релаксационная способность материала падает, что под нагрузкой приводит к развитию трещин (хрупкое разрушение). Это особенно проявляется в металлах с объёмно-центрированной решёткой, в которых подвижность дислокаций резко уменьшается при понижении температуры (из-за взаимодействия с примесями и уменьшения числа кристаллографических возможных плоскостей скольжения). Предотвращение хладноломкости – одна из важнейших технических проблем разработки конструкционных металлических материалов. Другая актуальная проблема – увеличение прочности и сопротивления деформации при высоких температурах. Зародышами разрушения в этих условиях служат микропоры, образующиеся в результате скопления вакансий. Эффективный способ повышения высокотемпературной прочности – уменьшение диффузионной подвижности точечных дефектов, в частности легированием.

      Применяемые в технике конструкционные металлические  материалы являются поликристаллическими. Их механические свойства практически изотропны и могут существенно отличаться от свойств монокристаллов металлов. Межфазные границы вносят дополнительный вклад в упрочнение. С другой стороны, они могут быть местами предпочтительного разрушения (межзёренное разрушение) или деформации. Изменяя число и строение межфазных границ, форму и пространственное расположение отдельных структурных составляющих многофазных систем (поликристаллов, гетерофазных агрегатов, возникающих вследствие фазовых превращений, или искусственно полученных композиций), а также регулируя состав и дефектную структуру отдельных кристаллов, можно получить огромное разнообразие механических свойств, необходимых для практического использования металлических материалов. [3, стр. 133-136].