Основные классификационные свойства металлов

Если напряжение, приложенное  к металлическому образцу, не слишком  велико, то его деформация оказывается  упругой - стоит снять напряжение, как его форма восстанавливается. Некоторые металлические конструкции  намеренно проектируют так, чтобы  они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая  упругая деформация. В других случаях  упругую деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая  деформация металлического образца  пропорциональна силе или сумме  сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости: s = eY, где s - напряжение, e - упругая деформация, а Y - модуль упругости (модуль Юнга).

Когда к металлическому образцу  прикладываются напряжения, превышающие  его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению  его формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала. Важнейшим критерием при выборе металлического материала, от которого требуется высокая упругость, является предел текучести. У самых лучших пружинных сталей практически такой  же модуль упругости, как и у самых  дешевых строительных, но пружинные  стали способны выдерживать гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести. Пластические свойства металлического материала (в отличие от упругих) можно изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние текучести уже при напряжениях порядка 40 МПа, тогда как предел текучести сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько процентов хрома и никеля, после нагревания до 950° С и закалки может достигать 2000 МПа. Когда металлический материал нагружен с превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение. Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а также наклепом). Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые стержни можно холодной прокаткой или холодным волочением довести до уровня твердости, который требуется от окончательной продукции.

Соотношение между напряжением и  деформацией для материалов часто  исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения - график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной - напряжение (рис. 1). Хотя при растяжении поперечное сечение  образца уменьшается (а длина  увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного  сечения, а не к уменьшенной, которая  давала бы истинное напряжение. При  малых деформациях это не имеет  особого значения, но при больших  может приводить к заметной разнице. На рис. 1 представлены кривые деформация - напряжение для двух материалов с  неодинаковой пластичностью. (Пластичность - это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после  снятия нагрузки.) Начальный линейный участок как той, так и другой кривой заканчивается в точке  предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее  пластичного материала высшая точка  диаграммы, его предел прочности  на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала  предел прочности на растяжение достигается  тогда, когда скорость уменьшения поперечного  сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания  начинается образование "шейки" (локальное  ускоренное уменьшение поперечного  сечения). Хотя способность образца  выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки.

Рис. 1. ДИАГРАММЫ РАСТЯЖЕНИЯ для двух металлов с разной пластичностью: сравнительно хрупкого (штриховая линия) и более пластичного (сплошная линия). Пределы текучести обоих металлов почти совпадают. Более хрупкий металл разрушается по достижении своего предела прочности при растяжении, а более пластичный - пройдя через свой предел прочности.

Типичные значения величин, характеризующих прочность на растяжение ряда металлов и сплавов, представлены в табл. 2. Нетрудно видеть, что эти  значения для одного и того же материала  могут сильно различаться в зависимости  от обработки.

Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с  тем, что наблюдается при растяжении (рис. 2). Кривая соотношения между  условным напряжением и условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для  растяжения только потому, что при  сжатии поперечное сечение образца  не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше.

Рис. 2. ДИАГРАММЫ РАСТЯЖЕНИЯ И СЖАТИЯ.

Кривая условного напряжения для сжатия проходит выше, чем для  растяжения, только потому, что при  сжатии поперечное сечение увеличивается, а не уменьшается.

Усталостью называется разрушение конструкции под действием циклических  нагрузок. Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению. При достаточно большом числе циклов нагружения разрушение могут вызывать напряжения, значительно более низкие, чем те, при которых происходит разрушение в случае однократного нагружения. Знакопеременные напряжения вызывают локализованные пластическую деформацию и деформационное упрочнение материала, в результате чего с течением времени возникают малые трещины. Концентрация напряжений вблизи концов таких трещин заставляет их расти. Сначала трещины растут медленно, но по мере уменьшения поперечного сечения, на которое приходится нагрузка, напряжения у концов трещин увеличиваются. При этом трещины растут все быстрее и, наконец, мгновенно распространяются на все сечение детали.

Ползучестью (или крипом) называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием  постоянной нагрузки. С появлением воздушно-реактивных двигателей, газовых  турбин и ракет стали приобретать  все более важное значение свойства материалов при повышенных температурах. Во многих областях техники дальнейшее развитие сдерживается ограничениями, связанными с высокотемпературными механическими свойствами материалов. При нормальных температурах пластическая деформация устанавливается почти мгновенно, как только прикладывается соответствующее напряжение, и в дальнейшем мало увеличивается. При повышенных же температурах металлы не только становятся мягче, но и деформируются так, что деформация продолжает нарастать со временем. Такая зависящая от времени деформация, или ползучесть, может ограничивать срок службы конструкций, которые должны длительное время работать при повышенных температурах. Чем больше напряжения и чем выше температура, тем больше скорость ползучести. Типичные кривые ползучести представлены на рис. 3. После начальной стадии быстрой (неустановившейся) ползучести эта скорость уменьшается и становится почти постоянной. Перед разрушением скорость ползучести вновь увеличивается. Температура, при которой ползучесть становится критической, неодинакова для разных металлов. Предметом забот телефонных компаний является ползучесть подвесных кабелей в свинцовой оболочке, работающих при обычных температурах окружающей среды; в то же время некоторые специальные сплавы могут работать при 800° С, не обнаруживая чрезмерной ползучести.

Рис. 3. ТИПИЧНЫЕ КРИВЫЕ ПОЛЗУЧЕСТИ. После стадии быстрой неустановившейся ползучести скорость ползучести уменьшается и становится почти постоянной, а затем наступает стадия ускоренной ползучести, которая завершается разрушением.

Срок службы деталей в  условиях ползучести может определяться либо предельно допустимой деформацией, либо разрушением, и конструктор  должен всегда иметь в виду эти  два возможных варианта. Пригодность  материалов для изготовления изделий, рассчитанных на длительную работу при  повышенных температурах, например лопаток турбин, трудно оценить заранее. Испытания за время, равное предполагаемому сроку службы, зачастую практически невозможны, а результаты кратковременных (ускоренных) испытаний не так просто экстраполировать на более длительные сроки, поскольку может измениться характер разрушения. Хотя механические свойства жаропрочных сплавов постоянно улучшаются, перед металлофизиками и материаловедами всегда будет стоять задача создания материалов, способных выдерживать еще более высокие температуры.

5. Характерные свойства металлов

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств:

• «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
• пластичность;
• высокая теплопроводность;
• высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены  особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее  из положительных ядер, вокруг которых  по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объёму металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного  газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется  определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так  и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Другими словами, кристаллическая  решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются  частицы, образующие твердое тело.

5.1. Кристаллическая  структура

Выше речь шла об общих  закономерностях поведения металлов под действием механических нагрузок. Чтобы лучше понять соответствующие  явления, нужно рассмотреть атомное  строение металлов. Все твердые металлы - кристаллические вещества. Они  состоят из кристаллов, или зерен, расположение атомов в которых соответствует  правильной трехмерной решетке. Кристаллическую  структуру металла можно представить  как состоящую из атомных плоскостей, или слоев. Когда прикладывается напряжение сдвига (сила, заставляющая две соседние плоскости металлического образца скользить друг по другу  в противоположных направлениях), один слой атомов может сдвинуться на целое межатомное расстояние. Такой  сдвиг скажется на форме поверхности, но не на кристаллической структуре. Если один слой сдвинется на много  межатомных расстояний, то на поверхности  образуется "ступенька". Хотя отдельные  атомы слишком малы, чтобы их можно  было увидеть под микроскопом, ступеньки, образовавшиеся за счет скольжения, хорошо видны под микроскопом и названы линиями скольжения. Обычные металлические предметы, встречающиеся нам ежедневно, являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа кристаллов, в каждом из которых своя ориентация атомных плоскостей. Деформация обычного поликристаллического металла имеет с деформацией монокристалла то общее, что она происходит за счет скольжения по атомным плоскостям в каждом кристалле. Заметное же скольжение целых кристаллов по их границам наблюдается только в условиях ползучести при повышенных температурах. Средний размер одного кристалла, или зерна, может составлять от нескольких тысячных до нескольких десятых долей сантиметра. Желательна более мелкая зернистость, так как механические характеристики мелкозернистого металла лучше, чем у крупнозернистого. Кроме того, мелкозернистые металлы менее хрупки.

Элементарная  ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Элементарная ячейка характеризует  особенности строения кристалла. Основными  параметрами кристалла являются:

·  размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными.

·  углы между осями ( ).

·  координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

·  базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.