1.4. Фізичні, хімічні та експлуатаційні властивості матеріалів
До фізичних властивостей матеріалів належить щільність, температура плавлення, електропровідність, теплопровідність, магнітні властивості, коефіцієнт температурного розширення та ін
Щільністю називається відношення маси однорідного матеріалу до одиниці його об'єму. Ця властивість є важливою при використанні матеріалів в авіаційній і ракетній техніці, де створювані конструкції повинні бути легкими і міцними.
Температура плавлення - це така температура, при якій метал переходить з твердого стану в рідкий. Чим нижче температура плавлення металу, тим легше протікають процеси його плавлення, зварювання і тим вони дешевші.
Електропровідністю називається здатність матеріалу добре і без втрат на виділення тепла проводити електричний струм. Гарною електропровідністю володіють метали та їх сплави, особливо мідь і алюміній. Більшість неметалічних матеріалів не здатні проводити електричний струм, що також є важливою властивістю, що використовується в електроізоляційних матеріалах.
Теплопровідність - це здатність матеріалу переносити теплоту від більш нагрітих частин тіл до менш нагрітих. Доброю теплопровідністю характеризуються металеві матеріали.
Магнітними властивостями тобто здатністю добре намагнічуватися володіють тільки залізо, нікель, кобальт і їхні сплави.
Коефіцієнти лінійного і об'ємного розширення характеризують здатність матеріалу розширюватися при нагріванні. Це властивість важливо враховувати при будівництві мостів, прокладання залізничних і трамвайних колій і т.д.
Хімічні властивості характеризують схильність матеріалів до взаємодії з різними речовинами і пов'язані зі здатністю матеріалів протистояти шкідливій дії цих речовин. Здатність металів і сплавів чинити опір дії різних агресивних середовищ називається корозійною стійкістю (див. розділ 5.2), а аналогічна здатність неметалічних матеріалів - хімічною стійкістю.
До експлуатаційних (службових) властивостей відносяться жаростійкість, жароміцність, зносостійкість, радіаційна стійкість, корозійна і хімічна стійкість та ін.
Жаростійкість характеризує здатність металевого матеріалу чинити опір окислюванню в газовому середовищі при високій температурі.
Жароміцність характеризує здатність матеріалу зберігати механічні властивості при високій температурі.
Зносостійкість - це здатність матеріалу чинити опір руйнуванню його поверхневих шарів при терті.
Радіаційна стійкість характеризує здатність матеріалу чинити опір дії ядерного опромінення.
2. МЕТАЛИ І СПЛАВИ
2.1. Будова металів
У техніці під металами розуміють речовини, що володіють комплексом металевих властивостей: характерним металевим блиском, високою електропровідністю, гарною теплопровідністю, високою пластичністю.
Кристалічні решітки. Всі речовини у твердому стані можуть мати кристалічну або аморфну будову. У аморфної речовини атоми розташовані хаотично, а в кристалічної - у суворо визначеному порядку. Усі метали у твердому стані мають кристалічну будову.
Для опису кристалічної структури металів користуються поняттям кристалічної решітки. Кристалічна решітка - це уявна просторова сітка, у вузлах якої розташовані атоми. Найменша частина кристалічної решітки, що визначає структуру металу, називається елементарним кристалічним осередком.
На рис. 2 зображені елементарні комірки для найбільш поширених кристалічних ґраток. У кубічної об'ємно−відцентрованої решітки (рис. 2, а) атоми розташовані у вухах осередку і один атом у центрі куба.
Рис. 2 . Основні види кристалічних решіток.
Такі грати мають хром, вольфрам, молібден і ін. У кубічної гранецентрованої решітки (рис. 2, б) атоми розташовані в вершинах куба і в центрі кожної грані. Такі грати мають алюміній, мідь, нікель та інші метали. У гексагональної густо упакованої решітки (рис. 2, в) атоми розташовані в вершинах і центрах основ шестигранної призми і три атома в середині призми. Такий тип решітки мають магній, цинк і деякі інші метали.
Кристалізація металів. Процес утворення в металах кристалічної решітки називається кристалізацією. Для вивчення процесу кристалізації будують криві охолодження металів, які показують зміну температури (t) у часі (τ). На рис. 3 наведені криві охолодження аморфних та кристалічних речовин. Затвердіння аморфної речовини (рис. 3, а) відбувається поступово, без різко вираженої межі між рідким і твердим станом. На кривій охолодження кристалічної речовини (рис. 3, б) є горизонтальна ділянка з температурою tкр, яку називають температурою кристалізації. Наявність цієї ділянки говорить про те, що процес супроводжується виділенням прихованої теплоти кристалізації. Довжина горизонтальної ділянки - це час кристалізації.
Рис. 3. Криві охолодження аморфного та кристалічного тіл
Кристалізація металу відбувається поступово. Вона об'єднує два процеси, що відбуваються одночасно: виникнення центрів кристалізації і зростання кристалів. У процесі кристалізації коли зростаючий кристал оточений рідиною, він має правильну геометричну форму. При зіткненні зростаючих кристалів між собою їх правильна форма порушується (рис. 4).
Рис.4. Схема процесу кристалізації металу.
Після закінчення кристалізації утворюються кристали неправильної форми, які називаються зернами або кристалітами. Всередині кожного зерна існує певна орієнтація кристалічної решітки, що відрізняється від орієнтації решіток сусідніх зерен.
Поліморфізм. Деякі метали в залежності від температури можуть існувати в різних кристалічних формах. Це явище називається поліморфізм або алотропія, а різні кристалічні форми однієї речовини називаються поліморфними модифікаціями. Процес переходу від однієї кристалічної форми в іншу називається поліморфним перетворенням. Поліморфні перетворення протікають при певній температурі.
Поліморфні модифікації позначають малими грецькими буквами α, β, γ, δ і т. д., причому α відповідає модифікації, що існує при найбільш низькій температурі. Поліморфізм характерний для заліза, олова, кобальту, марганцю, титану та деяких інших металів.
Важливе значення має поліморфізм заліза. На рис. 5 зображено криву охолодження заліза.
Рис. 5. Крива охолодження заліза.
Поліморфні перетворення характеризуються горизонтальними ділянками на кривій охолодження, бо за них відбувається повна перекристалізація металу. До 911°С стійкою є модифікація Feα, що має кубічну об’ємно−відцентровану решітку. В інтервалі 911 - 1392°С існує Feγ з кубічною гранецентрованої кристалічною решіткою.
При 1392 - 1539°С знову стійкою є модифікація Feα. Часто високотемпературну модифікацію Feα позначають Feδ. Зупинка на кривій охолодження при 768°С пов'язана не з поліморфним перетворенням, а зі зміною магнітних властивостей. До 768°С залізо є магнітним, а вище - немагнітним.
Дефекти кристалічної будови. Реальний металевий кристал завжди має дефекти кристалічної будови. Вони поділяються на точкові, лінійні і поверхневі (рис. 6).
Точкові дефекти малі у всіх трьох вимірах. До точковим дефектів відносяться вакансії, які представляють собою вузли кристалічної решітки в яких відсутні атоми (рис. 6, а), а також заміщені атоми домішки (рис. 6, б) і впроваджені атоми (рис. 6, в) які можуть бути як у вигляді домішок , так і у вигляді атомів основного металу.
Рис.6. Схеми точкових дефектів в кристалах.
Точкові дефекти викликають місцеві спотворення кристалічної решітки, які затухають досить швидко по мірі віддалення від дефекту.
Лінійні дефекти мають малі розміри у двох вимірах і велику протяжність у третьому. Ці дефекти називають дислокаціями. Крайова дислокація (рис. 7) являє собою спотворення кристалічної решітки, викликане наявністю «зайвої» атомної півплощини.
Поверхневі дефекти малі тільки в одному вимірі. До них відносяться, наприклад, межі між окремими зернами або групами зерен.
Рис. 7. Схема крайової дислокації.
Наклеп і рекристалізація. При пластичної деформації змінюється не тільки форма і розміри металу, але також його внутрішню будову і механічні властивості. Зерна розгортаються, деформуються і сплющуються, витягаючись в напрямку деформації. Утворюється волокниста структура. При цьому міцність і твердість металу підвищуються, а пластичність і в'язкість знижуються. Явище зміцнення металу при пластичній деформації називається наклепом.
Волокниста будова і наклеп можуть бути усунені при нагріванні металу. Часткове зняття наклепу відбувається вже при невеликому нагріванні (до 300 − 400°С для заліза). Але волокниста структура при цьому зберігається. При нагріванні до більш високої температури в металі відбувається утворення нових рівноосьових зерен. Цей процес називається рекристалізацією. Наклеп при цьому знімається повністю.
Температура, за якої починається процес рекристалізації називається температурою рекристалізації. Абсолютна температура рекристалізації Тp пов'язана з абсолютною температурою плавлення простою залежністю:
Тp = a · tпл,
де а - коефіцієнт, що залежить від складу і структури металу.
Для особливо чистих металів а = 0,2, для металів технічної чистоти а = 0,3 − 0,4, для сплавів а = 0,5 − 0,6.
Якщо деформування металу відбувається при температурі, яка вища за температуру рекристалізації, то наклеп після деформації не виникає. Така деформація називається гарячою. За умови гарячої деформації йдуть одночасно процеси зміцнення і рекристалізації. Деформація, яка відбувається нижче температури рекристалізації називається холодною.