3. Структурно-механические свойства металлов в процессе их деформации

 

Напряжения, развиваемые в металлах под воздействием приложенных сил, могут вызывать упругие и пластические деформации.

По степени пластической деформации непосредственно перед разрушением судят о пластичности металла (резерв пластичности). Малым резервом пластичности обладает " хрупкий" материал. Пластичность в сочетании с высокой прочностью делает металлы незаменимыми конструкционными материалами. Наиболее высокой прочностью при достаточной пластичности обладают стали, поэтому они шире всего применяются в технике по сравнению с другими металлами.

Пластическая деформация сопровождается не только изменением формы, но и изменением структуры металла, которая заключается в вытягивании зерен и измельчении блочной структуры.

При деформации под действием напряжений блочная структура измельчается, что приводит к значительному увеличению плотности дислокаций и резкому возрастанию внутрикристаллических и межкристаллических напряжений. Все это приводит к повышению твердости, пределов прочности, текучести, упругости и уменьшению пластичности деформируемого материала.

Важнейшими свойствами металла, характеризующими его работу во времени, являются: релаксация напряжений, ползучесть, выносливость, ударная вязкость и внутреннее трение.

Релаксация напряжений является процессом уменьшения во времени напряжений деформируемого материала в результате перехода упругой деформации в пластическую при условии постоянства общей деформации.

Под ползучестью понимают процесс увеличения деформации во времени при постоянном напряжении. Он начинается сразу после возникновения мгновенной деформации. Под действием длительно приложенной нагрузки может развиваться значительная деформация конструкции, а иногда и ее разрушение. Ползучесть лимитирует длительность эксплуатации конструкций, работающих под постоянной нагрузкой, особенно в условиях повышенных температур. Процесс ползучести способен существенно изменить структуру металла, а следовательно, и его механические характеристики.

Между основными реологическими характеристиками металлов - ползучестью и релаксацией - существует тесная связь, так как физико-механические основы обоих явлений одинаковы.

В зависимости от вида и условий нагружения металлы могут разрушаться вязко или хрупко. Вид разрушения образца зависит, в первую очередь, от соотношения его предела текучести, определяющего сопротивление металла пластической деформации, и сопротивления отрыву.

Переход от статических испытаний (статическое растяжение, сжатие и др.) к динамическим (ударный изгиб) позволяет определить склонность металла к хрупкому разрушению в условиях неоднородности напряженного состояния и динамического нагружения.

4. Строение металлов.

В металлах, которые находятся в жидком и твёрдом состоянии, между составляющими их частицами существует особый вид химической связи. Обратим внимание, что типичные металлы отличаются малым числом электронов в наружном слое атомов. Для их ионизации требуется относительно небольшая энергия.

Когда атомы при конденсации паров металла сближаются, их наружные электроны переходят в общее пользование всех атомов данного металла. Возникающие положительные ионы металла удерживаются все вместе за счёт притяжения ко всем свободно движущимся в металле электронам. Такой вид химической связи называют металлической.

Металлическая связь имеет сходства и различия с ионной и валентной связями.

С ковалентной связью металлическая сходна тем, что при возникновении этих видов связи валентные электроны переходят в общее пользование атомов. Однако, в случае металлической связи эти электроны связывают все атомы данного куска металла, а в случае с ковалентной – два объединившихся атома.

С ионной  связью металлическая связь сходна наличием ионов. Однако в металлах положительно заряженные ионы удерживаются свободно перемещающимися электронами, а не отрицательно заряженными ионами, как в веществах с ионной связью.

Металлическая связь имеется в металлах, находящихся  в жидком и твёрдом состоянии. Твёрдые металлы – вещества кристаллические. Их кристаллические решётки сходны с атомными решётками алмаза, кремния, но в узлах металлических решёток расположены положительно заряженные ионы.

Вследствие притяжения всех свободных электронов всеми положительно заряженными ионами металлическая связь очень прочна. Поэтому для металлов характерны кристаллические решётки с плотной упаковкой ионов, которая

достигается в металлах с решёткой гексагонального типа (цинк, магний и др.) или кубического гранецентрированного (медь, серебро, алюминий и др.). Менее плотной является решётка кубическая объемно-центрированная. Такую решётку  при кристаллизации образуют железо, натрий, барий и др.

Некоторые металлы (например, олово) могут кристаллизоваться в зависимости от температуры с образование решёток то одного, то другого ти