Общие сведения о металлах и их сплавах

Твердые, жидкие и газообразные вещества, которые встречаются в природе, состоят из простых веществ, называемых химическими элементами; в настоящее время известно 104 элемента. Изучение свойств химических элементов позволило разделить их на две группы: металлы и неметаллы. Примерно две трети всех известных элементов являются металлами.

 

Металлами называются химические элементы, обладающие характерными признаками: непрозрачностью, хорошей проводимостью тепла и электрического тока, характерным «металлическим» блеском в изломе, а также способностью поддаваться ковке, прокатке, волочению, литью и обработке резанием.

При нормальной комнатной температуре все металлы, кроме ртути, являются твердыми веществами.

Все металлы и металлические сплавы в твердом состоянии являются телами кристаллическими.

В машиностроении химически чистые металлы используются редко.

Применяемые в технике металлические материалы делятся на две группы: технически чистые металлы и сплавы.

Технически чистые металлы — это металлы, в состав которых, кроме химически чистого элемента, в небольших количествах входят и другие элементы.

Сплавы — это сложные по составу металлические тела, образовавшиеся в результате затвердевания жидкого раствора, состоящего из двух или нескольких металлов или металлов и неметаллов.

В связи с тем, что сплавам можно придать более высокие, по сравнению с технически чистыми металлами, механические, технологические, физические и химические свойства, они применяются чрезвычайно широко.

В последнее время благодаря развитию химического производства наряду с металлами большое значение приобрели неметаллы. Неметаллы — это простые вещества, не обладающие свойствами, характерными для металлов: не имеют «металлического» блеска, плохо проводят тепло и электрический ток. Некоторые из неметаллических веществ при обычных условиях газообразны, например кислород, фосфор, сера, водород, азот и др.

§ 2. Внутреннее строение металлов и сплавов Изучение внутреннего строения металлов и сплавов позволило ученым сделать вывод: изменения свойств металлов и сплавов определяются особенностями их внутриатомного строения. По современной теории строения атомов каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него с огромной скоростью отрицательно заряженных электронов.   Ядро, несмотря на незначительный его размер по сравнению с размерами атома, сосредоточивает в себе 99,98% всей массы атома. Ядро атома состоит из положительно заряженных элементарных частиц — протонов и нейтральных элементарных частиц — нейтронов. Электроны вращаются по орбитам, находящимся на разном расстоянии от ядра. Наибольшее влияние на свойства элементов оказывают электроны, вращающиеся по внешней орбите, определяющие собой валентность элемента, почему эти электроны и получили название валентных. Число их на орбите может изменяться от 0 до 8. В металлах свободные электроны непрерывно перемещаются между ионами, но не покидают поверхность металла. В металлах и сплавах атомы объединяются в кристаллические решетки и располагаются в них в определенном порядке. Тела, в которых атомы расположены хаотически, т. е. в беспорядке, называются аморфными. К ним относятся клей, пластмассы, стекло, смолы и др. Кристаллические решетки металлов могут быть различных типов. На рис. 2 показано расположение атомов (ионов) в элементарных кристаллических решетках трех типов: кубической объемноцентрированной, кубической гранецентрированной и гексагональной. Рис. 2. Элементарные кристаллические решетки: а — кубическая объемно-центрированиая, б — кубическая гранецентрированная, в — гексагональная Кубическая объемно-центрированная решетка представляет собой центрированный куб с девятью атомами, из которых восемь атомов размещены в вершинах куба и один в центре (рис. 2, а). Кубическая с центрированными гранями решетка имеет четырнадцать атомов, расположенных по углам решетки и в центре каждой грани (рис. 2, б). Гексагональная решетка (рис. 2, в) имеет семнадцать атомов, из которых двенадцать размещены в вершинах шестигранной призмы, два — в центре оснований и три — в среднем сечении. Размеры кристаллической решетки характеризуются ее параметрами. Размер кубических кристаллических решеток определяется одним параметром — длиной ребра а куба, размер гексагональной кристаллической решетки — двумя параметрами а и с или отношением. Многократная повторяемость кристаллических решеток образует кристалл.

 

Процесс кристаллизации

Свойства металлов и сплавов зависят от формы кристаллов, от числа частиц, составляющих отдельные кристаллы, от расстояния между частицами в кристаллах, от взаимного расположения кристаллов.

Большое влияние на свойства металлов и сплавов оказывают также особенности процесса кристаллизации, т. е. явления, сопутствующие переходу металлов и сплавов из жидкого состояния в твердое.

 

Температура, при которой металл или сплав переходят из жидкого состояния в твердое, называется критической температурой, или критической точкой.

Схема образования кристаллических зерен изображена на рис. 3. При определенной для каждого металла температуре в Жидком металле или сплаве появляются центры кристаллизации (рис. 3, а).

Рис. 3. Схема образования кристаллических зерен:
а — группы кристаллов (центры кристаллизации), б, в, г, д — рост возникших групп и появление новых центров, е — искажение формы кристаллов

По мере охлаждения появляются новые центры и происходит рост старых (рис. 3, б, в, г, д). На этой стадии в жидком металле могут образоваться кристаллы правильной геометрической формы, так как формированию их не препятствуют соседние кристаллы.

Перед полным затвердеванием свободный рост кристаллов прекращается и форма их искажается вследствие взаимного давления (рис. 3, е). Таким образом, в изломе застывшего металла образуются кристаллы уже неправильной формы, называемые зернами. Темные извилистые линии обозначают границы зерен.

Процесс образования зерен имеет большое практическое значение, так как от их расположения, формы и особенно от величины зависят свойства металла. Это впервые обнаружил Д. К. Чернов. Он установил, что в местах разрыва стволов артиллерийских орудий сталь имеет крупнозернистое строение и отличается меньшей прочностью по сравнению с мелкозернистой сталью.

О величине зерен, или зернистости, по излому металлов можно судить только приблизительно. Правильное представление о зернах дает металлографическое исследование шлифа металлов 1. Шлифом называется тщательно отполированная и протравленная особым составом поверхность металла. Величина зерен выражается их числом на 1 см² поверхности шлифа.

Металлы и сплавы, имеющие мелкозернистое строение, обладают большей прочностью, более высокой твердостью и лучшей обрабатываемостью, нежели металлы и сплавы с крупным зерном.

В производстве черных и цветных сплавов широко практикуют искусственное изменение размера и формы зерен введением в расплавленные металлические сплавы незначительных доз модификаторов — веществ, почти не меняющих химические составы самих сплавов, но способствующих кристаллизации и получению сплавов с улучшенными механическими свойствами.

Величину и форму зерен сплава можно изменить обработкой давлением, ковкой, штамповкой, прокаткой, волочением и другими способами, вызывающими в металле пластическую деформацию, т. е. деформацию, остающуюся после снятия нагрузки.

В результате пластической деформации металлическое изделие упрочняется, при этом зерна его размельчаются и вытягиваются в направлении приложенной, силы (рис. 4).

Рис. 4. Схема изменения микроструктуры:
а — кристаллическая структура, б — структура до деформации, е — пластически деформированный металл, г — структура после рекристаллизации

Для того чтобы снять напряжения в металле, возникшие в результате обработки давлением, его подвергают нагреванию; возникают новые зерна с недеформированной кристаллической решеткой. Этот процесс называется рекристаллизацией. Итак, свойства металлов и сплавов зависят от их внутреннего строения.