1.4. Физические, химические и эксплуатационные свойства материалов

К физическим свойствамматериалов относится плотность, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, магнитные свойства, коэффициент температурного расширения и др.

Плотностью называется отношение массы однородного материала к единице его объема. Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, 1де создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными.

Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле.

Электропроводностью называется способность материала хорошо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способно проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемым в электроизоляционных материалах.

Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.

Магнитными свойствами, т.е. способностью хорошо намагничиваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.

Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании. Это свойство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке железнодорожных и трамвайных путей и тд.

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами, и связаны со способностью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию агрессивных различных сред называется коррозионной стойкостью (см. раздел 5.2), а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью.

К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.

Жаростойкость характеризует способность металлического и материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении.

Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.

2. Металлы и сплавы.

2.1. Строение металлов

В технике под металлами понимают вещества, обладающие ком-Ш1ексомметаллических свойств: характерным металлическим блес­ком, высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой пластичностью.

Кристаллические решетки. Все вещества в твердом состояниимогут иметь кристаллическое или аморфное строение. В аморфном веществе атомы расположены хаотично, а в кристаллическом — в строго определенном порядке. Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение.

Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой распо­ложены атомы. Наименьшая часть кристаллической решетки, опре­деляющая структуру металла, называется элементарной кристалли­ческой ячейкой.

На рис.2 изображены элементарные ячейки для наиболее рас­пространенных кристаллических решеток. В кубической объемно-центрированной решетке (рис.2,а) атомы расположены в узлах ячейки и один атом в центре куба. Такую решетку имеют хром, вольфрам,молибден и др.

Рис.2. Основные виды кристаллических решеток.

В кубической гранецентрированной решетке (рис. 2,б) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Эту решетку имеют алюминий, медь, никель и другие металлы. Вгекса­гональной плотноупакованной решетке (рис. 2,в) атомы расположе­ны в вершинах и центрах оснований шестигранной призмы иipnатома в середине призмы. Такой тип решетки имеют магний, цинк инекоторые другие металлы.

Кристаллизация металлов. Процесс образования в металлах кристаллической решетки называется кристаллизацией. Для изуче­ния процесса кристаллизации строят кривые охлаждения металлов, которые показывают изменение температуры (t) во времени . Нарис.3 приведены кривые охлаждения аморфного и кристаллическо­го веществ. Затвердевание аморфного вещества (рис.3,а) происхо­дит постепенно, без резко выраженной границы между жидким и твердым состоянием. На кривой охлаждения кристаллического ве­щества (рис. 3,б) имеется горизонтальный участок с температурой, называемой температурой кристаллизации. Наличие этого участ­ка говорит о том, что процесс сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации. Длина горизонтального участка — это время кристаллизации.

Рис. 3. Кривые охлаждения аморфного и кристаллического тел.

Кристаллизация металла происходит постепенно. Она объеди­няет два процесса, происходящих одновременно: возникновение цен­тров кристаллизации и рост кристаллов. В процессе кристаллизации, когда растущий кристалл окружен жидкостью, он имеет правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кри­сталлов их правильная форма нарушается (рис.4.).

После окончания кристаллизации образуются кристаллы неправиль­ной формы, которые называются зернами или кристаллитами. Внутри каждого зерна имеется определенная ориентация кристаллической ре­шетки, отличающаяся от ориентации решеток соседних зерен.

Полиморфизм. Некоторые металлы в зависимости от темпера­туры могут существовать в различных кристаллических формах. Это явление называетсяполиморфизмили аллотропия, а различные кри­сталлические формы одного вещества называютсяполиморфнымимодификациями. Процесс перехода от одной кристаллической фор­мы к другой называетсяполиморфнымпревращением. Полиморфные превращения протекают при определенной температуре.

Полиморфные модификации обозначают строчными гречески­ми буквами и т.д., причемсоответствует модификации, существующей при наиболее низкой температуре. Полиморфизм ха­рактерен для железа, олова, кобальта, марганца, титана и некоторых других металлов.

Важное значение имеет полиморфизм железа. На рис. 5 изобра­жена кривая охлаждения железа. Полиморфные превращения ха­рактеризуются горизонтальными участками на кривой охлаждения, так как при них происходит полная перекристаллизация металла. До 911°Cустойчиво, имеющее кубическую объемно-центрированную решетку. В интервале 911-1392°C, существуетс кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. При 1392-1539°Cвновь устойчиво. Часто высокотемпературную модификациюобо­значают. Остановка на кривой охлаждения при 768°Cсвязана не с полиморфным превращением, а с изменением магнитных свойств. До 768°°C железо магнитно, а выше — немагнитно.

Дефекты кристаллического строения. Реальный металлический кристалл всегда имеет дефекты кристаллического строения. Они подразделяются на точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. К точечным дефектам относятсявакансии, представляющие собой узлы кристал­лической решетки в которых отсутствуют атомы (рис. 6,а), а также замещенные атомы примеси (рис. 6,б) ивнедренные атомы (рис.6,в) которые могут быть как примесными, так и атомами основно­го металла. Точечные дефекты вызывают местные искажения кри­сталлической решетки, которые затухают достаточно быстро по мере удаления от дефекта.

Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях ибольшую протяженность в третьем. Эти дефекты называют дислока­циями. Краевая дислокация (рис. 7) представляет собой искажение кристаллической решетки, вызванное наличием «лишней» атомной полуплоскости.

Рис. 7. Схема краевой дислокации.

Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. Кним относятся, например, границы между отдельными зернами или группами зерен.

Наклеп и рекристаллизация. При пластической деформации изменяется не только форма и размеры металла, но также его внутрен­нее строение и механические свойства. Зерна разворачиваются, деформируются и сплющиваются, вытягиваясь в направлении деформации. Образуется волокнистая структура. При этом прочность и твердость металла повышаются, а пластичность и вязкость снижа­ются. Явление упрочнения металла при пластической деформации называется наклепом.

Волокнистое строение и наклеп могут быть устранены при нагреве металла. Частичное снятие наклепа происходит уже при небольшом нагреве (до 300-400°C для железа). Но волокнистая структура при этом сохраняется. При нагреве до более высокой температуры в металле происходит образование новых равноосных зерен. Этот процесс назы­ваетсярекристаллизацией. Наклеп при этом снимается полностью.

Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации, называется температурой рекристаллизации. Абсолютная тем­пература рекристаллизации T_P связана с абсолютной температурой плавления простой зависимостью:

T_P =a* T_пл

где а— коэффициент, зависящий от состава и структуры металла.Для особо чистых металлов а = 0,2, для металлов технической чис­тоты а = 0,3-0,4, для сплавов а = 0,5-0,6.

Если деформирование металла происходит при температуре, которая выше температуры рекристаллизации, то наклеп после де­формации не возникает. Такая деформация называется горячей. При горячей деформации идут одновременно процессы упрочнения и рекристаллизации. Деформация, которая происходит ниже темпера­туры рекристаллизации, называется холодной.