2.Строение и свойства металлов

1. Мета́ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокаяпластичность и металлический блеск.

2. Кристалли́ческая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек, которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит к её параллельному переносу и совмещению. Для удобства анализа обычно точки решётки совмещают с центрами каких-либо атомов из числа входящих в кристалл, либо с элементами симметрии. В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные,атомные, молекулярные и металлические.

3. Cтруктурные дефекты твердых тел. Реальные кристаллы все­г­да содержат некоторое число де­фек­тов кристалличес­кой стру­ктуры. Появление дефектов в крис­тал­лах неизбеж­но, посколь­ку они образуются уже в процессе выра­щи­­­вания монокристалла вещества. Их концентрация быстро воз­растает с температурой, а также при де­фор­ми­ро­ва­нии кристалла. Различают два ос­нов­ных вида де­фектов кристаллической  решет­ки (рис. 1.10).

Точечные дефекты создаются при вне­д­рении в узлы и междоузлия идеальной кристаллической стру­­­­ктуры "чу­же­­род­­ных" атомов, например, при приготовле­нии сп­ла­­ва (рис. 1.10, а и б). Кроме того, к точечным дефектам от­но­сят­ся ва­кансии, то есть, не заполненные атома­ми основного ма­те­риала узлы  кри­сталлической решетки. При этом атом ос­но­в­­ного ма­те­ри­ала может находиться  рядом, в междоузлии крис­тал­ли­чес­­кой решетки (дефекты по Френкелю, рис. 1.10, в). Во­з­мо­жен слу­чай, когда атом вообще может испариться из объема ма­те­ри­а­ла и ва­кансия является одиночной (дефекты  по Шот­тки, рис. 1.10, г).

То­чечные дефекты кристаллической решетки мо­гут об­ра­зо­вы­ва­ть­ся при бомбардировке поверхности крис­тал­ла ус­ко­­рен­ны­ми за­ря­женными ионами различных веществ. Де­фекты та­кого про­ис­хо­ж­дения называютрадиационными де­фек­тами.

Другим видом дефектов кристаллической структуры являются дислокации. Дислокация - это линейный дефект, за­к­­лю­­­­чающийся в сме­щении плоскостей кристаллической решетки от­­­но­си­тель­но друг друга. Различают два основных типа ди­сло­ка­ций:

линейная (краевая) дислокация представляет ре­зу­ль­тат не­­­полного сдвига кристаллической решетки. В итоге появляется не­­­законченная полуплоскость атомов (рис. 1.11, а);

вин­то­вая ди­с­­ло­­­кация возникает вследствие полного сдвига не­ко­то­ро­­го уча­с­тка решетки (рис. 1.11, б).

Дислокации возникают как в процессе выращивания монокристаллов, так и в результате их механической и термической обработки. Границы кристаллитов в поликристаллических телах также имеют дислокационную природу.

Выходы дислокаций на поверхность кристалла можно об­на­ру­­­жить по результатам травления кристалла в специа­ль­ном тра­ви­теле. В результате травления на поверхности кри­­сталла по­яв­ля­ю­тся ямки тра­в­ления, хорошо видимые под ми­кроскопом. Плот­ность дис­ло­ка­ций оценивают визуа­льно, под­считывая под микро­ско­пом число ямок тра­в­ле­ния на едини­це площади поверхности кри­сталла. На­при­мер, кри­с­талл по­лу­проводникового матери­ала при­годен к даль­ней­ше­му ис­­по­ль­­зованию, если плот­ность ди­сло­ка­ций в нем не пре­вы­ша­ет 10⁶10⁷ м^-2.

4. Среда - жидкая, газообразная, ионизи­рованная, радиационная, в которой ра­ботает материал, оказывает существен­ное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойству, снижая работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вы­зывать повреждение поверхности вслед­ствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, из­менение химического состава поверх­ностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами. Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в ре­зультате ионизационного и радиацион­ного облучения. Для того чтобы проти­востоять рабочей среде, материал дол­жен обладать не только механическими, но и определенными физико-химически­ми свойствами: стойкостью к электро­химической коррозии, жаростойкостью, радиационной стойкостью, влагостойкостью, способ­ностью работать в условиях вакуума и др. В некоторых случаях важно так­же требование определенных маг­нитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности разме­ров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).

5. Механические свойства определяются способностью материала противостоять различным внешним физическим воздействиям: прочность при сжатии, изгибе, ударе, кручении; твердость, пластичность, упругость, истираемость и другие.

6. При разработке технологического процесса изготовления детали, из исходной, или предварительно подготовленной заготовки, необходимо знать возможности той или иной технологии и технологические свойства материала, то есть технологичность процесса и материала. Работоспособность детали зависит от качества конструкционного материала, из которого она изготовлена. Материал, предназначенный для изготовления деталей, оценивается техническими и технологическими характеристиками, а изготовление деталей - экономическими. Первые оценивают пригодность материала, вторые - условия его обработки при изготовлении конструкции, третьи - стоимость, как самого материала, так и его обработки. Технологические свойства металлов - это часть их общих физических и химических свойств. Знание этих свойств позволяет более обоснованно проектировать и изготовлять детали с улучшенными для данного металла (сплава) качественными показателями. К технологическим свойствам металлов относятся текучесть, пластичность, свариваемость, способность к упрочнению и обработке резанием. Изготовляют детали машин литьем, обработкой давлением (ковкой или штамповкой), сваркой, обработкой резанием либо комбинацией указанных способов.

7. 1. Предел прочности (временное сопротивление) - напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Прочность – свойство твердых тел сопротивляться разрушению и необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок. 2. Условный предел текучести - напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,2% от начальной длины образца. Предел текучести - наименьшее напряжение, при котором, не смотря на продолжающуюся деформацию образца, не происходит заметного увеличения нагрузки. 3. Предел длительной прочности – наибольшее напряжение, которое вызывает за определенное время при данной температуре разрушение образца. - предел длительной прочности за 1000 ч. при 7000С. 4. Условный предел ползучести – напряжение, которое вызывает за определенное время при данной температуре заданное удлинение образца или скорость ползучести. - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч. испытания при 7000С.   Ползучесть – деформация металла с определенной скоростью при нагружении металла постоянно действующим напряжением ниже предела текучести в течение длительного времени при высокой температуре. Жаропрочность - сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки. 5. Предел выносливости - наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения. Цикл нагружения – совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. 108,107.    Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящее к образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство металлов сопротивляться усталости называют выносливостью. Условный предел пропорциональности - отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью напряжений, увеличивается на 50% от своего значения на линейном (упругом) участке.   Условный предел упругости - напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05% от начальной длины образца.

8.Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяютударную вязкость. Ударная вязкость оценивает­ся работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

9. Твёрдость — свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела — индентора,Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объему отпечатка. Различают поверхностную, проекционнуюи объемную твёрдость:

поверхностная твёрдость — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка; проекционная твёрдость — отношение нагрузки к площади проекции отпечатка; объёмная твёрдость — отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Твёрдость определяется как отношение силы сопротивления к площади поверхности, площади проекции или объему внедренной в материал части индентора. Различаютповерхностную, проекционную и объемную твёрдость:

поверхностная твёрдость — отношение силы сопротивления к площади поверхности внедренной в материал части индентора; проекционная твёрдость — отношение силы сопротивления к площади проекции внедренной в материал части индентора; объёмная твёрдость — отношение силы сопротивления к объёму внедренной в материал части индентора.

10.

11. При оценке конструктивной прочности материалов большое значение имеет их усталостная прочность, так как около 70 % общего числа разрушений деталей происходит вследствие усталости металлов. Поэтому повышение предельного напряжения, при котором материал не разрушается под действием циклических нагрузок, т, е. повышение предела выносливости,— одна из актуальных проблем современной науки и техники, Наибысшёй усталостной прочности стальных изделий, имеющих обычно концентраторы напряжений, при ТО достигают с помощью улучшения, т. е. закалкой и высоким отпуском. Однако ТЦО повышает предел выносливости и в сравнении с закалкой и высоким отпуском. Для углеродистой стали 45 это увеличение составляет до 30 %.