Металлические материалы 2 (стр. 1 из 4)
Лекция № 5: Металлические материалы
5.1 КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Металлы – это кристаллические вещества, характеризующиеся рядом специфических свойств:
1. Электро- теплопроводность, магнитная восприимчивость (склоннисть к образованию магнитных волн, полей), высокая однородность структуры, высокая пластичность, высокая прочность;
2. Физические свойства: блеск, непрозрачность, высокая плотность (в среднем в 3 раза выше цемента ρ=7800(кг\м3), высокие технологические свойства.
Свойства металлов обусловлены их строением: как правило, все металлы имеют упорядоченную структуру в виде кристаллической решетки (3 вида решёток см. ниже). За счёт чего металлы обладают рядом положительных свойств: пластичность, ковкость, прочность, а так же отрицательным рядом свойств: низкая огнестойкость (металл при t=600°C плавится и перестаёт нести нагрузку), низкая коррозионная стойкость – способность металла окисляться в различных средах и терять прочностные свойства, это ведёт к удорожанию работ по защите металла от коррозионных процессов – обмазка специальными мастиками и защитными составами.
Поэтому для регулирования свойств металлов применяют либо упрочнение за счёт следующих операций:
-термическая обработка стали;
-химико-термическая обработка стали;
-азотирование;
-металлизация.
Либо созданием специальных “сплавов”. На практике термин «металлы» распространяют и на сплавы. Применяют, как правило, не чистые металлы, а сплавы, т.к. они обладают по сравнению с чистыми металлами более высокой прочностью, лучше подаются разным видам обработки.
Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов с неметаллами.
Металлы имеют кристаллическое строение, при затвердевании они образуют геометрически правильные системы – кристаллические решетки различных модификаций. Атомы металлов являются положительно заряженными ионами, которые непрерывно колеблются около положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, кристаллы расширяются, а при температуре плавления колебания настолько усиливаются, что кристаллическая решетка разрушается. Кристаллы анизотропны, имеют неодинаковые свойства по разным направлениям, что объясняется различным числом атомов решетки в разных сечениях.
Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные.
Черные металлы (чугун и сталь) – это сплавы железа с углеродом.
В стали, содержание углерода составляет до 2,14%, в чугуне – 2,14…6,67%. Цветные металлы делят по плотности на легкие (ρ<3 г/см3) и тяжелые (ρ>3 г/см3).
Наибольшее применение в строительстве получили стали. Это каркасы промышленных и гражданских зданий, конструкций мостов, эстакад, труб. Сталь используется для производства арматуры, канатов, для железобетона. В современном строительстве расширяется область применения цветных металлов – это конструкции из алюминиевых сплавов, архитектурно-строительные детали, обладающие высокой коррозионной стойкостью и декоративностью.
По назначению металлы делят на конструкционные, инструментальные, специальные.
1. Инструментальные стали и сплавы обладают высокой плотностью и прочностью, за счёт их способа изготовления, упрочнения, либо за счёт ввода в их состав легирующих компонентов, которые по плотности и твёрдости превосходят плотность и твёрдость основной стали.
2. Конструкционные стали используются для изготовления из них конструкций. Для каждой отрасли качества предъявляемые к стали разные, поэтому в зависимости от производства используется сталь определенной марки, с заданными свойствами.
3. Специальные стали и сплавы обладают высокой плотностью, как правило неизменностью геометрических размеров.
Понятие о кристаллизации.
Различают первичную и вторичную кристаллизацию металлов. Первичная кристаллизация – образование кристаллической структуры в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое.
Вторичная кристаллизация – это изменение кристаллического строения металлов в твердом состоянии, это так называемая аллотропия металлов и сплавов.
Свойства металлов:
1. Физическими свойствами металлов являются: цвет, плотность, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании.
2. Химическими свойствами являются: окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность и другие.
3. Механические свойства: прочность на растяжение, твердость, ударная вязкость, усталость и т.д.
Для исследования и испытания металлов и сплавов используют следующие методы:
– Химический анализ устанавливает наличие химических элементов в металле и сплаве;
– Макроанализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или в лупу. Позволяет обнаружить усадочные раковины, пустоты, трещины, неметаллические включения, наличие вредных примесей (серы, фосфора);
– Микроанализ – изучение структуры металлов с помощью микроскопа. Позволяет определить структурные составляющие металлических сплавов, наблюдать расположение фаз, их форму и размеры;
– Термический анализ сводится к определению критических точек при нагревании и охлаждении с построением кривых «температура – время»;
– Рентгенографический анализ основан на различной степени поглощаемости рентгеновских лучей металлом и сплавом: сильнее – сплошным металлом, меньше там, где находятся газовые и шлаковые включения, трещины. Все это фиксируется на экране или фотоснимках;
– Ультразвуковая дефектоскопия основана на различной скорости прохождения ультразвука, позволяет обнаружить инородные включения, раковины, трещины (проверка качества сварочных работ);
– Механические испытания, подразделяются на: статические и динамические.
1) При статических испытаниях металл подвергается действию постоянной силы или силы, возрастающей медленно;
2) При динамических испытаниях металл подвергается действию ударов или быстро возрастающей силы.
Атомно-кристаллическое строение металлов
Рис. 5.2. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток
металлов: а-объемноценрированая кубическая; б-гранецентрированная
кубическая; в-гексагональная
а) – К, Li. Na, Mo, Cr, альфа железо; б) – Ni, Au, Pt, γ-железо; в) – Cd. α-Тi, α-Zn.
Фазой называется физически и химически однородная часть системы, имеющая одинаковый состав, строение и агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы разделяющей поверхностью. Жидкий металл является однофазной системой. Смесь двух различных кристаллов или одновременное существование жидкого расплава и кристаллов являются двух или трех фазной системой. Составляющие сплавов называются компонентами. Различают следующие виды сплавов:
– Неоднородные - это механические смеси, состоящие из смеси кристаллов компонентов;
– Однородные - состоят из одной фазы:
1) Твердые растворы, полученные при затвердевании расплавов;
2) Химические соединения, образовавшиеся при химическом взаимодействии компонентов. Химические соединения образуются между компонентами с отличающимися электронным строением атомов и кристаллических решеток;
3) Электронные соединения. Они образуются между одновалентными элементами или переходными металлами и простыми металлами валентностью от 2 до 5.
Разновидности растворов:
Твердые растворы – представляют собой фазы, в которой один из компонентов сплава сохраняют свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента располагаются в кристаллической решетке первого компонента.
Твердые растворы : замещения; внедрения.
В растворах замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решетки.
В растворах внедрения – атомы растворяемого вещества располагаются в междоузлиях. Характерны для элементов с малым атомным радиусом.
Фазовый состав и структурные составляющие углеродистых сплавов - сталей и чугунов - в равновесном состоянии описываются диаграммой состояния «железо – углерод» (на Рис. 5.3. приведена Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов, содержащих до 6,7% углерода).
Рис 5.3. Диаграмма Железо-Углерод.
Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т.е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах.
- Линия АВСД – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса).
- Линия АНJЕСF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса).
Чаще всего в железоуглеродистых сплавах углерод встречается в виде твердых растворов внедрения в a-железо и g-железо, а также в виде химического соединения Fe3C – цементита.
Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы состоят из жидкого расплава и твердых кристаллов (двухфазная система).
Первым из жидкого расплава кристаллизуется аустенит.
- Область AJESG (IV) на диаграмме соответствует аустениту - твердому раствору углерода в g-железе.
- Линия GS – начало выделения феррита, а линия SE – вторичного цементита.
- Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит. Линии GSK и PSK имеют большое значение при термической обработке стали. Линию GSK называют линией верхних критических точек, линию PSK – линией нижних критических точек.