99

1. Макро- и микроструктура металлов. Методы исследования металлов.

Металловедение — наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающая закономерности их изменения при тепловых, химических, механических и других воздействиях.

В периодической системе Д.И. Менделеева 107 элементов, 76 из которых металлы. Все металлы принято делить на две группы: черные металлы (железо и его сплавы) и цветные металлы (Ni, Co, Mg, Al, Ti, W, V, Mn, Cu, Zn, Ag, Au, Pt, Pd, Hg). Такие металлы как Ni, Co и близкий к ним по свойствам Mn часто относят к металлам железной группы. Цветные металлы по общности свойств подразделяются на легкие металлы (Be, Ti, Al, Mg), обладающие малой плотностью; легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi); тугоплавкие металлы (Cr, Zr, Nb, Mo, W, V и др.); благородные металлы (Ag, Au, Pt, Pd, Os); урановые (U, Th-торий, Pa-проактиний), актиноиды, используемые в атомной технике; редкоземельные металлы, лантаноиды и сходные с ними Sc(скандий) и Y(иттрий), применяемые как присадки к различным сплавам; щелочно-земельные металлы (Li, Na, K).

Все металлы и металлические сплавы — тела кристаллические, атомы в металлах расположены закономерно, в отличие от аморфных тел, в которых атомы располагаются хаотично. То есть металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа различно ориентированных друг по отношению к другу кристаллов.

Металлы в твердом и жидком состоянии обладают рядом характерных свойств:

1. высокой тепло- и электропроводностью;

2. положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления. С повышением температуры электрическое сопротивление чистых металлов увеличивается. Большое число металлов обладают сверхпроводимостью, т.е. при температуре близкой к абсолютному нулю электрическое сопротивление падает практически до нуля.

3. термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью испускать электроны при нагреве;

4. хорошей отражательной способностью, так как они непрозрачны и обладают металлическим блеском;

5. повышенной способностью к пластической деформации.

Все вышеперечисленные свойства обуславливают так называемое металлической состояние вещества.

Чистые металлы (99,9–99,999%) обладают низкой прочностью, что не обеспечивает требуемых физико-механических свойств. Поэтому они применяются сравнительно редко. Наиболее широко применяются сплавы. Сплавы получают сплавлением или спеканием (т.е. без перевода в жидкое состояние, спеканием металлических порошков или химических соединений) двух или более металлов, или металлов с неметаллами. Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами.

Для рассмотрения строения, превращений и свойств металлов и сплавов используют такие понятия, как «фаза» и «структура».

Фаза — однородная (гомогенная) составная часть системы, имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние, кристаллическое строение и свойства и отделенная от остальных частей поверхностью раздела. Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой. Под структурой понимают форму, размеры или характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Различают макроструктуру (строение металла или сплава видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении в 30–40 раз) и микроструктуру (строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях).

Макроструктуру можно исследовать по излому на специальных макрошлифах (темплетах). Образцы для макрошлифов вырезают из крупных заготовок (слитков, поковок и др.), поверхность шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами. Изучение излома – наиболее простой метод изучения кристаллического строения металлов. В отличие от аморфного тела (стекла) кристаллическое тело имеет зернистый излом, по которому можно судить о размере зерна, особенностях выплавки (температуре, скорости охлаждения и т.д.), термической обработке. Вид излома используют в качестве критерия, при оценке склонности стали к хрупкому излому.

При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом металле; волокна (деформированные кристаллы) в поковках и штампованных заготовках; дефекты, нарушающие сплошность металла (осадочную рыхлость, газовые пузырьки, раковины, трещины); химическую неоднородность, вызванную процессом кристаллизации или термической или термомеханической обработкой.

Микроструктура показывает размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Для определения микроструктуры изготавливают микрошлиф, то есть небольшой образец, изготовление которого аналогично макрошлифу.

Микроструктуру металла наблюдают в микроскопе – оптическом или электронном. Полезное увеличение в оптическом микроскопе 1000–1500 раз, то есть можно наблюдать фрагменты структуры, размер которых больше 1500–2000×10^-10м.

Разрешающая способность электронного микроскопа значительно выше. Использование электронных лучей малой длины волны (0,04–0,12)×10^-1 нм дает возможность различать детали излучаемого объекта размером 3–5×10^-10м. При помощи электронного микроскопа возникает возможность наблюдать непосредственно дефекты кристаллической структуры.

Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на дифракции (рассеивании) рентгеновских лучей с очень малой длиной волны (0,02–0,2 нм) рядом атомов в кристаллическом теле.

Для изучения металлов и сплавов нередко используются физические методы исследования. В их основу положены взаимосвязи между изменениями физических свойств и процессами, происходящими в металлах и сплавах при их обработке или в результате иных воздействий (пример: построение кривых охлаждения в координатах температура-время).