Строение конструкционных машиностроительных материалов
В связи с огромным разнообразием деталей машин и приборов, а также условий их работы для их изготовления необходимы материалы с самыми различными технологическими и эксплуатационными свойствами. Эти свойства в значительной мере зависят от внутреннего строения материала.
Все конструкционные материалы можно разделить на металлические и неметаллические. Примерами неметаллических материалов являются дерево, кирпич, бетон, керамика, резина, пластики.
Металлические материалы являются сейчас наиболее используемыми конструкционными машиностроительными материалами, в связи с чем рассмотрим их более подробно.
Большинство металлов в твёрдом состоянии имеет кристаллическое строение, характеризующееся упорядоченным расположением атомов в кристаллической решётке, минимальная характерная составляющая которой называется элементарной ячейкой. Наиболее часто встречаются ячейки кристаллических решёток трёх типов: кубическая объёмноцентрированная (рис. 1.1-а), кубическая гранецентрированная (рис. 1.1-б) и гексагональная плотноупакованная (рис. 1.1-в). Расстояние между ближайшими атомами называется периодом или параметром решётки и имеет порядок одного нанометра (1 нм = 10–9 м, т.е. миллиардная доля метра). Из-за различных расстояний между атомами в разных направлениях всем кристаллам присуща анизотропия, т.е. неодинаковость свойств в разных направлениях.
С изменением температуры или давления параметры решёток и даже их тип могут изменяться, что всегда приводит к заметному изменению свойств материала. Существование одного и того же материала с разным типом кристаллической решётки называется полиморфизмом (например, графит и алмаз), а перестройка кристаллической решётки при критических температурах называется полиморфным превращением.
а) б) в)
Рис. 1.1. Ячейки кристаллических решёток металлов: а – объёмноцентрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная |
Чистые металлы, как правило, характеризуются низкими прочностными свойствами, в связи с чем в машиностроении обычно используют сплавы, которыми называются вещества, полученные сплавлением двух и более элементов, которые могут быть как металлами, так и неметаллами, и называются компонентами сплава. Кроме основных компонентов в сплаве могут содержаться и примеси, которые бывают полезными, т.е. улучшающими свойства сплава, и вредными, ухудшающими его свойства.
Кристаллическое строение сплава сложнее, чем чистого металла, и зависит от взаимодействия его компонентов, которые при кристаллизации образуют фазы, т.е. однородные по химическому составу и свойствам объёмы, разграниченные поверхностями раздела, при переходе через которые происходит резкое изменение свойств.
Структура сплава – строение сплава, характеризуемое формой, размерами и взаимным расположением фаз. Например, механическую смесь называют также гетерогенной структурой, т.е. структурой, состоящей из нескольких фаз.
Макроструктура – строение сплава, видимое невооружённым глазом или при небольшом увеличении в 30-40 раз.
Микроструктура – строение сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях (500-100000 раз).
Переход металла из жидкого состояния в твёрдое с образованием кристаллической решётки называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации начинается с образования зародышей (центров кристаллизации) и зависит от их количества и скорости охлаждения. Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 1.2). Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается из-за воздействия друг на друга и возможности роста только в направлениях, где есть свободный доступ питающего жидкого материала. В результате растущие кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму. Кристаллы неправильной формы называются зёрнами или кристаллитами. Зёрна образуют поликристаллическую структуру (крайняя правая часть рис. 1.2). В процессе кристаллизации внутри зёрен чаще всего образуются разветвлённые (древовидные) кристаллы, напоминающие ёлку и получившие название дендритов.
Рис. 1.2. Схема образования зёрен при кристаллизации металла |
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Чем мельче зерно, тем выше пределы прочности и текучести, а особенно пластичность и ударная вязкость. Размер зерна сильно зависит от температуры нагрева и разливки жидкого металла, температуры и скорости охлаждения, химического состава металла и особенно присутствия в нём посторонних примесей.
В жидком состоянии металл имеет больший объём, чем в твёрдом. Поэтому при затвердевании сплава происходит уменьшение его объёма, называемое усадкой. В результате усадки на границах соприкосновения зёрен возникают микропустоты, которые могут заполняться неметаллическими включениями (затвердевающими позже металлов) или оставаться микроскопическими раковинами и порами. Такие включения и поры ухудшают механические свойства сплава, поскольку при его нагреве и силовой обработке становятся очагами развития трещин и надрывов.
Кроме того, в процессе кристаллизации обычно возникает ликвация, т.е. химическая (и как следствие – структурная) неоднородность сплавов в твёрдом состоянии, обусловленная затвердеванием отдельных фаз не при одной и той же определённой температуре. Химическая неоднородность в пределах одного зерна называется дендритной ликвацией, а в различных частях объёма всего затвердевшего сплава – зональной ликвацией.