2. Кристаллизация металлов и сплавов основные механические свойства металлов

М еталлы и сплавы могут находиться в трёх агрегатных состояниях – твёрдом, жидком и газообразном. Переход металла из жидкого состояния в твёрдое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Этот вид кристаллизации является первичной в отличие от вторичной кристаллизации (перекристаллизации), которая происходит в твёрдом металле. Температура, при которой происходит этот переход называется температурой кристаллизации, а переход из твёрдого состояния в жидкое – температурой плавления. Температура плавления металлов колеблется от –39⁰С (для ртути – самого легкоплавкого металла) до + 3390⁰С (для вольфрама – самого тугоплавкого металла).

На рис.2.1 приведена схема кристаллизации металла.

Рис.2.1. Схема кристаллизации металла.

Пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружён жидким расплавом металла, он имеет строго определённую геометрическую форму, но при столкновении или срастании кристаллов их правильная форма нарушается, и образуются так называемые кристаллиты – зёрна.

Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше степень охлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства металла (сплава), особенно это сказывается на пластичности металла. На процесс кристаллизации оказывают влияние ультразвук, модифицирование, поверхностно-активные вещества, облегчающие образование зародышей, введение порошков, частицы которых служат центрами кристаллизации и др.

О бычно механизм образования кристаллов носит дендритный характер, т.к. развитие зародышей идёт главным образом в тех направлениях решётки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются ветви – оси первого порядка I (рис2.2.). От этих осей начинают расти новые оси второго II, от осей второго – оси третьего порядка III и т.д.

Рис. 2.2 Схема дендрита Д.К.Чернова

Свойства металлов и сплавов определяются химическим составом и структурой. Все свойства металлов разделяются на физичес­кие, химические, механические и технологические.

К физическим свойствам относятся блеск, цвет, плотность, температура плавления, тепловое расширение, тепло- и электро­проводность, способность намагничиваться.

К химическим свойствам относится способность металлов вступать в химические реакции с другими элементами и сложны­ми веществами, например с кислородом воздуха, диоксидом углерода (СО₂), водой и т.д. В числе этих свойств — окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жаропрочность. В результате могут происходить разрушения металлов и необратимые из­менения их структуры и свойств.

Механические свойства металлов определяют их способ­ность сопротивляться прилагаемым усилиям. К таким свойствам относятся: прочность, упругость, пластичность, твердость, хруп­кость, вязкость, износостойкость.

Прочность — свойство металла, не разрушаясь, оказывать со­противление действию внешних сил, стремящихся нарушить связь между частицами материала при его растяжении, изгибе, срезе пли скручивании.

Упругость — свойство металла восстанавливать первоначаль­ную форму и прежние размеры после прекращения действия вне­шних сил, вызвавших данное изменение формы.

Пластичность — свойство металла деформироваться без раз­рушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обрат­ное упругости.

Твердость — сопротивление металлического тела деформации и поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии, в частности вдавливанием или царапающим действием посторонних сил.

Хрупкость — свойство металла разрушаться или разбиваться на куски от ударов без видимых предварительных деформаций.

Вязкость — свойство металла не разрушаться и не давать тре­щин при ударе (необратимо поглощать энергию при пластическом деформировании). Это свойство, обратное хрупкости.

Износостойкость — свойство металла оказывать сопротивление изнашиванию в процессе трения.

Металлы и сплавы используются в качестве основного конструкционного материала для деталей автомобилей, различных машин, механизмов и сооружений, работающих в условиях больших нагрузок. Поэтому для металлов важнейшими являются их механические свойства. Определение этих свойств проводится при испытаниях, которые в зависимости от способа приложения усилия делятся на статические и динамические. При статических испытаниях нагрузка на образец металла возрастает медленно и плавно, а при динамических — увеличивается с большой скоростью или многократно изменяется по величине и направлению. Вид испытаний определяется назначением и условиями применение деталей.

Наиболее распространенными испытаниями для исследования механических свойств металлов являются статические испытания на растяжение и твердость, а также динамические испытания на удар и усталость.

Испытание на растяжение проводится на образцах металлов с использованием специальных разрывных машин. Для этой цели образцы готовят определенных форм и размеров на основе стандартов.

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Какую температуру называют температурой кристаллизации?

2. От каких параметров зависит размер зерна металла?

3. Какие механические свойства присущи металлам?

4. В чём различие между статическими и динамическими испытаниями металла?

5. Чем отличаются кристаллы от кристаллитов?

6. Как зависят от размера зерна свойства металлов и сплавов?

.