Контрольные вопросы:

1. Назовите основные признаки, по которым классифицируют материалы в технике

2. Как можно классифицировать твердые материалы?

3. Что представляют собой атомно-кристаллические материалы? Назовите типичных представителей этого класса

4. Охарактеризуйте ионно-кристаллические материалы. Какие материалы относятся к этому типу?

5. Что представляют собой молекулярные кристаллы? Приведите примеры.

6. Охарактеризуйте класс некристаллических твердых материалов

7. На какие группы делят технические материалы по функциональному назначению. Охарактеризуйте каждую из групп.

Глава 3. Черные металлы и сплавы

К черным металлам относятся железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы). Они имеют особое значение, так как являются основными машиностроительными материалами. В общем производстве металлов свыше 90 % приходится на железо и его сплавы. Это объясняется ценными физическими и механическими свойствами черных металлов, а также тем, что железные руды широко распространены в природе, а производство чугуна и стали сравнительно дешево и просто.

На территории России выделяют 3 металлургические базы –Центральная, Уральская и Сибирская. Эти металлургические базы имеют существенные различия по сырьевым и топливным ресурсам, структуре и специализации производства, мощности его и организации, по роли в экономических связях с ближним и дальним зарубежьем. Отличаются эти базы и масштабами производства, технико-экономическими показателями производства металла и целым рядом других признаков.

К металлам относят (или называют) химические элементы, характерными признаками которых является непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность. Однако чистые металлы характеризуются, как правило, низким пределом прочности и поэтому в машиностроение применяют главным образом сплавы.

3.1. Строение и свойства сплавов

Металлическим сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух или более элементов, преимущественно металлических. Помимо сплавления, сплавы получают спеканием, электролизом и т.д.

Сплав считается металлическим, если его основу (свше 50% по массе) составляют металлические компоненты.

Роль сплавов в технике более важна, чем чистых металлов. Они обладают разнообразными свойствами, которые изменяются в зависимости от состава. Кроме того, механические свойства сплавов можно изменять различными видами обработки.

Вещества, из которых образуется сплав, называются, компонентами. Компонент, преобладающий в сплаве называется основным, а компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими. Совокупность компонентов сплава называется системой.

Сплавы классифицируют по числу компонентов на двойные (бинарные), тройные, четверные и многокомпонентные; по основному элементу – железные, алюминиевые, медные и т.д.; по применению – конструкционные, инструментальные, жаропрочные, пружинные, шарикоподшипниковые, и т. д.; по плотности – тяжелые (на основе вольфрама, свинца и т.д., легкие на основе алюминия, бериллия и т.д.; по температуре плавления – тугоплавкие (сплав на основе молибдена, тантала), легкоплавкие (припои, баббиты, типографские сплавы) и по технологии изделий – литейные, композиционные и т.д.

При кристаллизации сплавов зависимости от природы компонентов и от соотношения массовых количеств их сплавы после затвердевания образовывать твердые растворы; химические соединения и механические смеси.

Твердый раствор образуется, когда кристаллы сплава содержат одновременно несколько компонентов, которые могут входить в состав в произвольных весовых количествах.

В этом случае атомы различных элементов, смешиваясь в различных соотношениях, способны образовывать общую кристаллическую решетку. Один из компонентов сплава при образовании твердого раствора сохраняет свою решетку, а другой компонент (или другие) не сохраняют свою решетку, а отдают свои атомы в решетку первого компонента. Твердые растворы образуются компонентами с аналогичными типами кристаллических решеток при небольшой разнице их параметров.

Таким образом, твердый раствор имеет один тип решетки и представляет одну фазу.

Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура меняется скачкообразно. Причем фаза имеет во всех своих точках одинаковые состав, строение и свойства. Но в тоже время кристаллические фазы могут отличаться друг от друга и типом решетки и электропроводностью, магнитными свойствами и т.д.

По типу расположения атомов растворимого элемента твердые растворы делятся на растворы внедрения и растворы замещения. При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его решетке. Замещение может быть неупорядоченным (т.е. размещение происходит произвольно).

При образовании твердого раствора внедрения атомы компонента располагаются в междоузлиях кристаллической решетки. Причем атомы располагаются не в любом междоузлии, а в тех пустотах, где больше пространства (Например, для ГЦК внутри ячейки). Так как размеры атомов растворителя и растворимого компонента различны, то при образовании твердых растворов кристаллическая решетка всегда искажена и это приводит к изменению параметров решетки.

Химическое соединение, как раствор, имеет однородную структуру, состоящую из атомов обоих элементов в строго определенных соотношениях. В отличие от твердых растворов химические соединения имеют постоянный состав и новую, особую кристаллическую решетку.

Атомы каждого компонента в такой решетке находятся в строго определенном числе и расположены всегда одинаково. Это является одним из особенностей химических соединений.

Вторая особенность состоит в том, что химические соединения имеют постоянство состава, которое может быть выражено формулой химического соединения A_n и B_m, где A и B соответствующие компоненты, а n и m простые числа.

Третья особенность это отличие свойств соединения от свойств образующих элементов.

Четвертая – они имеют постоянную температуру плавления (как чистые компоненты)

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между элементами, имеющими большое различие в строении атомов или кристаллических решеток (Mg₂Sn, MgS, MgFe).

Механические смеси образуются при сплавлении компонентов с большим различием атомных радиусов и значительным различием электрохимических свойств и их взаимная растворимость очень мала. Таким образом, образуется механическая смесь (Pb-Sn,Zn-Sn). При образовании механической смеси кристаллические решетки фаз не меняются.