3.7. Механические свойства.
Видимо, нет другой категории свойств металла, которая была бы столь чувствительной к несовершенствам кристаллической структуры, как механические свойства: твердость, пластичность, прочность.
Проведено большое число измерений разнообразных механических свойств металлов, ввиду их практической важности. Однако таких данных, которые можно было бы безоговорочно считать характеристиками чистых веществ, сравнительно мало. В таблице 9 (приложение) приведены модули объемного сжатия (объемной упругости), там же в качестве показателя прочности приводится модуль Юнга (коэффициент прочности на растяжение).
Непереходные элементы отличаются высоким модулем объемного сжатия, у переходных элементов он, напротив, мал. Если сравнение проводить в одной подгруппе, то можно видеть, что с увеличением заряда ядра у непереходных металлов этот показатель возрастает, а у переходных металлов — уменьшается. Эта тенденция аналогична той, что проявлялась в термических свойствах. Можно утверждать, что у непереходных металлов с увеличением заряда ядра связь становится более рыхлой, а у переходных — усиливается ее металлический характер. Иначе говоря, чтобы судить о прочности связи на основании данных о плотности и тепловых свойствах, необходимо также принимать во внимание степень изменения объема тела под влиянием приложенного внешнего давления. У переходных металлов модуль Юнга выше, чем у непереходных, это связано с наличием более прочной связи.
В целом механические свойства отражают прочность металлической связи; при этом следует учитывать, что речь идет не только о прочности связей в отдельных кристалликах, а во многом ситуация определяется условиями объединения кристаллитов в поликристаллическую структуру.
При этом необходимо иметь в виду, что и в отдельных кристаллитах возможны самые разнообразные дефекты решетки. Этим и объясняется весьма значительное влияние термической, и других способов обработки металла, на его механические свойства. В кристаллической решетке металла могут быть различные типы дефектов. Собственное нарушение порядка расположения атомов в кристаллической решетке определяют точечные дефекты. Бывают дефекты, вызванные присутствием чужеродных атомов, которые могут находиться в узлах и между узлов (в пустотах) кристаллической решетки. Другой тип дефектов связан с тем, что отдельные атомы кристаллической решетки металла могут находиться в иных возбужденных состояниях, чем основная масса атомов. Такие дефекты называются электронными.
Пластичность металла определяется способностью металла не разрушаясь деформироваться так, что деформации остаются и после окончания действия нагрузки. Пластичность металлов имеет очень большое практическое значение. Благодаря этому свойству металлы поддаются ковке, прокатке, вытягиванию в проволоку (волочению), штамповке. Смещение заполненных атомами металла плоскостей в кристалле в определенных пределах не приводит к разрушению металлической связи. Механизм образования смещений связан с появлением и движением дислокаций. Хрупкими ранее считались титан, вольфрам, хром, молибден, тантал, висмут, цирконий. Очищенные от примесей эти металлы — высоко пластичные материалы, которые можно ковать, прессовать, прокатывать. В таблице 8 приведены значения относительного удлинения некоторых металлов, характеризующего их пластичность.
Таблица 8. Относительные удлинения некоторых металлов, %
Cu |
Al |
Ni |
Fe |
W |
60
|
40
|
40
|
25—55
|
0—4
|
Схема пластического сдвига в кристалле металла изображена на рис. 21. Внешняя сила Р первоначально вызывает небольшое смещение атомов вертикальных рядов 1, 2, 3 (рис. 21, а). С увеличением силы Р это смещение возрастает и ряд атомов 1 (выше плоскости скольжения АА) проскакивает нейтральное положение между 1' и 2'. При этом ряд 2 превращается в лишнюю плоскость и образует дислокацию (рис. 21, б). В результате образования дислокации решетка искажается по обе стороны плоскости скольжения. Поэтому далее уже при небольшой силе Р вертикальные ряды атомов над плоскостью скольжения будут смещаться — дислокация подобно эстафете будет последовательно передаваться рядам 3, 4 и далее. В какой-то момент возникает положение, представленное на рис. 21, в. Далее дислокация выходит на поверхность и исчезает, как показано на рис. 21,г. Таким образом, пластический сдвиг в реальном металле происходит путем перемещения дислокаций вдоль плоскости. А не путем одновременного сдвига всей атомной плоскости, что потребовало бы затраты гораздо большей энергии.
Рис. 21. Дислокационная схема пластического сдвига.
Под прочностью понимают свойство материала не разрушаться под воздействием определенной приложенной нагрузки. Обычно все виды дефектов кристаллической решетки уменьшают прочность металла. Металлические кристаллы, лишенные дислокаций, обладают более высокой прочностью. Такими кристаллами являются выращиваемые в особых условиях нитевидные кристаллы или «усы». Их прочность во много раз превышает прочность обычных образцов соответствующего металла и близка к теоретической величине, вычисленной для кристаллической решетки металла, не имеющей дефектов структуры. Так, почти идеальные кристаллы меди, называемые медными усами, при 900оС выдерживают нагрузку в 50 раз большую, чем обычная медь.
С другой стороны, появление в металле очень большого числа различно ориентированных дислокаций также приводит к повышению прочности, так как при этом кристаллическая структура металла сильно искажается и перемещение дислокаций затрудняется. В этом состоит объяснение явления наклепа — упрочнения металла под действием пластической деформации. При нагревании сильно деформированного металла искажения его структуры, вызванные сдвигами, постепенно снимаются — металл возвращается в структурно более устойчивое состояние; его пластичность возрастает, а твердость и прочность снижаются.
Твердость — сопротивление проникновению в данный металл другого твердого тела. При сочетании металлических поверхностей (трущиеся пары, зубчатые колеса) необходимо учитывать относительную твердость металлов, так как это определяет надежность и долговечность контакта. Так, например, в редукторах с червячной передачей материал червяка выбирается более твердым (сталь), чем материал, червячного колеса (бронза). При эксплуатации этой пары нарезка зубчатого колеса постепенно прирабатывается по нарезке червяка. Это обеспечивает более высокое значение коэффициента полезного действия передачи, долговечность и бесшумность в работе.
Твердость определяют с помощью стального шарика, (по Бринелю) или алмазной пирамиды (по Роквеллу), проникающих в другой материал под нагрузкой.
В таблице 9 приведены значения твердости некоторых металлов, вычисленные по Бринелю. Обычно твердость металлов s - элементов меньше твердости р - элементов, твердость последних меньше, чем твердость d - элементов.
Таблица 9. Твердость некоторых металлов, определенная по методу Бринеля, МПа
Al |
Cu |
Fe |
Ni |
W |
196
|
344
|
490
|
600•
|
3420
|
В тех случаях, когда рабочие температуры, эксплуатации металлических изделий превышают порог 0,3tпл важна способность металла длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах. Это свойство металла называется жаропрочностью. Жаропрочность является важным практическим свойством ряда металлов, сплавов и других соединений.