1.4 Факторы, влияющие на свойства металлов и сплавов

Выбор марки материала в процессе проектирования изделий осуществляют на основе рассмотрения комплекса свойств, которые необходимы на этапах изготовления, эксплуатации и восстановления деталей.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, коэффициент температурного расширения, электросопротивление и теплопроводность. Химическими свойствами являются способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, твердость и ползучесть. Технологическими свойствами металлов и сплавов являются деформируемость, литейные свойства, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. Прочность ж. Свойство материалов и конструкций выдерживать нагрузки без разрушения. Различают конструкционную, длительную, динамическую, удельную, усталостную прочность. Прочность обычно интегрируется как способность твердого тела сопротивляться деформированию или разрушению под давлением статических или динамических нагрузок. Определяется с помощью специальных механических испытаний образцов на растяжение, сжатие, изгиб, кручение и характеризуется временным сопротивлением (пределом прочности) σв и пределом текучести σт. Пластичность ж. Свойство твердых тел под воздействием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после устранения этих сил. Характеризуется относительной деформацией (растяжение или сжатие). Различают относительную деформацию логарифмическую, по Лагранжу, по Эйлеру. Деформируемость ж. Способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузки. Литейные свойства с. мн. Определяется способностью расплавленного металла или сплава к заполнению литейной формы; степенью химической неоднородности по сечению полученной отливки величиной усадки – сокращением размеров при кристаллизации расплава и дальнейшем его охлаждении. Свариваемость ж. Технологическое свойство материалов или их сочетания при установленной технологии сварки образовывать соединения, отвечающих конструктивным требованиям и условиям эксплуатации изделия. Обрабатываемость ж. Свойства металлов и сплавов поддаваться обработке резанием. Критериям обрабатываемости являются режимы резания и качеств обрабатываемого поверхностного слоя. К эксплуатационным свойствам в зависимости от условий работы изделия относят износостойкость, коррозионную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность и др. Износостойкость ж. Способность металлов и сплавов сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения. Хладостойкость ж. Способность металлов и сплавов сохранять пластические свойства при температурах ниже 0°С. Жаропрочность ж. Способность металлов и сплавов сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах. Жаростойкость ж. Способность металлов и сплавов сохранять механические свойства при высоких температурах. Антифрикционность ж. Способность металла или сплава прирабатываться к другому металлу или сплаву.

Физико-химические и механические свойства материалов зависят от строения атомов, атомно-кристаллической структуры, химического состава, микро- и макроструктуры. Известно, что все материалы состоят из атомов, которые, в свою очередь, представляют собой композицию протонов, нейтронов и электронов. Атомы в материалах связаны между собой различными типами связей (ионной, ковалентной, металлической). Наиболее важным типом связи в машиностроительных материалах является металлический, который характерен для чистых металлов и их сплавов.

Атомы в кристаллических структурах расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки, которые представляют собой наименьший объем кристалла, дающего полное представление об атомно-кристаллической структуре материала и называемого элементарной ячейкой. Большинство материалов, используемых в технике, и все металлы, как правило, имеют кристаллическую структуру. Кристаллические решетки, образуемые металлами, называют металлическими. В узлах этих решеток находятся положительные ионы металлов, а валентные электроны могут передвигаться между ними в различных направлениях. Такое строение решетки обусловливает высокую электрическую проводимость, теплопроводность и пластичность металлов. При упругопластическом деформировании не происходит разрыва связи и разрушения кристалла, поскольку составляющие его ионы как бы «плавают» в облаке электронного газа.

Математически доказано, что можно получить 14 различных вариантов кристаллических решеток. Многие металлы имеют сравнительно простые кристаллические решетки, такие как объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП) – рис. 1.7.

Всем кристаллам присуща анизотропия, т. е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными расстояниями между атомами в кристаллической решетке. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свойства, как поверхностное натяжение, адсорбционная способность и химическая активность, существенно отличаются у различных граней кристаллов. Анизотропия ж. (векториальность). Различия физических свойств материала или среды в зависимости от направления. Различают естественную, механическую анизотропную, которая характеризуется различием прочности, твердости, вязкости, упругости в различных направлениях и магнитную. Математически анизотропные свойства кристаллов характеризуется векторами и тензорами, в отличии от изотропных свойств (например, плотности), которые описываются скалярными величинами. Адсорбционная способность ж. металлов и сплавов (адсорбция ж.) способность металлов и сплавов поглощать вещества из газообразной или жидкой фазы поверхностным слоем в твердом или жидком состоянии. Поверхностное натяжение с. Термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз, определяемая как работа обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности.

               а                    б                      в Рис.1.7 Кристаллические решетки металлов: а – ОЦК; б – ГЦК; в – ГП.

С повышением температуры или давления параметры решетки могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают разные кристаллические решетки, что всегда приводит к изменению свойств. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток при критических температурах называется полиморфными превращениями. Полиморфизм (аллотропия) м. Свойства некоторых веществ существовать в нескольких кристаллических состояниях с разной структурой. Открыт в 1798 году. Каждое из состояний называют полиморфной модификацией, устойчивой при определяемых температуре и давлении. Полиморфизмом обладают как простые вещества, так и неорганические и органические соединения. Для углерода – алмаз (кубическая решетка) и графит (гексагональная решетка). Полиморфизм (аллотропия) м. Свойства некоторых веществ существовать в нескольких кристаллических состояниях с разной структурой. Открыт в 1798 году. Каждое из состояний называют полиморфной модификацией, устойчивой при определяемых температуре и давлении. Полиморфизмом обладают как простые вещества, так и неорганические и органические соединения. Для углерода – алмаз (кубическая решетка) и графит (гексагональная решетка).

Кристаллические решетки могут иметь различные структурные несовершенства, существенно изменяющие свойства материалов. Дефекты внутреннего строения подразделяют на точечные (вакансии), линейные (дислокации) и плоскостные (скопление дислокаций). Двухмерные дефекты характерны для поликристаллических материалов, т. е. для материалов, состоящих из большого количества кристаллитов, различно ориентированных в пространстве. Влияние дефектов строения на прочностные характеристики металлов неоднозначно. Если прочностные характеристики бездефектных кристаллов очень высоки, то увеличение дефектов до определенного количества приводит к резкому снижению механических свойств. Дальнейшее увеличение дефектов, например, при введении в расплав компонентов или применении специальных методов искажения кристаллической решетки, повышает реальную прочность металлов. Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем чистых металлов, и зависит от взаимодействия его компонентов, которые при кристаллизации образуют фазы (однородные объемы, разграниченные поверхностями раздела, при переходе через которую свойства меняются скачкообразно). Компоненты в твердом сплаве могут образовывать следующие структуры: твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

На свойства сплавов наряду со строением атомов основного компонента, атомно-кристаллического строения и химического состава существенное влияние оказывает микроструктура. Этот фактор показывает влияние размера, формы кристаллитов (зерен), взаимного расположения фаз, их формы и размеров на свойства материалов. Для определения микроструктуры из исследуемого изделия изготавливают микрошлиф, структуру которого наблюдают с помощью оптического или электронного микроскопов (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Микроструктура сплава: 1 – химическое соединение (АmBm); 2 – элемент (компонент) в свободном виде; 3 – механическая смесь [А(В)+АmBn]; 4 – твердый раствор [А(В)].

Химическое соединение с. Компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие при этом образуется новая кристаллическая решетка, отличная от решеток составляющих компонентов. Механическая смесь ж. Компоненты сплава обладают полной взаимной нерастворимостью и имеют различные кристаллические решетки. Твердый раствор м. Однородная смесь двух или большего числа компонентов, равномерно распределяемых в виде атомов, ионов или молекул в твердом веществе, концентрация которых может быть изменена без нарушения однородности. В твердом растворе компоненты сплавы взаимно растворяются один в другом. Один из входящих в состав сплава компонентов сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а остальные в виде отдельных атомов распределяются внутри кристаллической решетки, несколько изменяя ее размеры, но не менее формы.

Макроструктура заготовки является еще одним фактором, активно влияющим на свойства получаемых изделий, которая исследуется на шлифах при увеличении не более чем в 30–40 раз. При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом металле; деформированные кристаллиты в поковках; дефекты, нарушающие сплошность изделий; химическую неоднородность, вызванную процессом кристаллизации, и т. д.

Вид макроструктуры зависит от условий изготовления заготовок и деталей машин. Например, для строения слитков и отливок характерно наличие кристаллитов различных размеров и форм, пористости, раковин и т. п. Такую макроструктуру принято называть литой. Обработка давлением слитков при нагреве до высоких температур вызывает деформацию кристаллитов и частичную заварку пор и раковин, а последующая рекристаллизация формирует мелкозернистое строение металла. Таким образом формируется деформированная макроструктура. Деформация ж. Изменение взаимного расположения точек твердого тела под воздействием внешних или внутренних сил. Различают упругую и пластическую, холодную и горячую, монотонную и немонотонную, однородную и неоднородную, равномерную и неравномерную, абсолютную и относительную деформации. Заготовки с этим видом макроструктуры, как правило, обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с отливками.

Материалы с аморфной структурой не имеют упорядоченного строения и, в отличие от кристаллических тел, являются изотропными. Аморфная структура, так же, как и структура жидкости, характеризуется ближним порядком. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Аморфное тело можно представить как жидкость с очень большой вязкостью. Однако в отличие от жидкости в аморфном веществе частицы практически не обмениваются местами. Типичными аморфными веществами являются силикатные стекла, поэтому часто аморфное состояние называют стеклообразным. Аморфную структуру могут образовывать металлы при очень высоких скоростях охлаждения (примерно 106 °С/с).