1.ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

1.1.Общие представления о строении металлов

1.1.1. Общие сведения

Из всех известных в настоящее время элементов более половины являются металлами. Металлы – непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Прежде всего металлы можно разделить на две большие группы — черные и цветные металлы.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:

1.Железные металлы — железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2.Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т.е. выше 1539°С) Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

3.Урановые металлы — актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.

4.Редкоземельные металлы (РЗМ) — лантан, церий, неодим,

празеодим и др., объединяемые под названием лантаноидов, и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими (температура плавления и др.). Их применяют как присадки к сплавам других элементов.

5.Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев.

Цветные металлы подразделяются на:

1.Легкие металлы — бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

6

2.Благородные металлы — серебро, золото, металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). К ним может быть отнесена и «полублагородная» медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

3.Легкоплавкие металлы — цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами — галлий, германий.

Первыми используемыми человеком металлами были золото и медь, т.к. они встречаются в природе в виде самородков. Более редким металлом в виде самородка является железо, поэтому самым древним железным изделием (IV тысячелетие до н.э.), сохранившимся до наших дней, является ожерелье, найденное в Египте.

Всовременном мире на каждого человека приходится около 4-5 тон металла в виде сооружений, техники и множества других изделий.

1.1.2.Понятие о плавлении и кристаллизации металлов и сплавов

Около 80% химических элементов приходится на долю металлов.

Но зачастую дешевле, прочнее и практичнее не сами чистые Ме, а вещества получаемые их сплавлением т.е. сплавы.

Например: σвAl=60 МПа, σвД16=540 МПа,

σвCu=150 МПа, σвЛ80=550 МПа, σвБрОФ7-0,2=920 МПа.

Сплавы получают сплавлением 2-х и больше химических элементов, методами порошковой металлургии, диффузии и др.

Известно, что вещества могут находиться в зависимости от температуры в твердом, жидком, газообразном, плазменном агрегатных состояниях.

Переход металлов и сплавов из твердого состояния в жидкое называют плавлением, а из жидкого в твердое – кристаллизацией.

Следует заметить, что при невысоких скоростях охлаждения металлических расплавов они приобретают упорядоченное (кристаллическое) строение.

Сверхвысокие (порядка более 105°С/сек) скорости охлаждения практически фиксируют характерное для жидкого расплава неупорядоченное расположение атомов после затвердевания. Так получают аморфные (металлические) стекла, имеющие специфические свойства.

Остановимся на рассмотрении классических положений процессов протекающих при равновесных (обычных для практики) плавлении и кристаллизации. С термодинамической точки зрения протекания всех явлений в природе вызвано стремлением любой системы к минимальному запасу свободной энергии. Поэтому естественно шарик более устойчив в положении 2 нежели 1 (рисунок 1).

7

Кривая охлаждения (рисунок 3) чистого металла из жидкого состояния показывает: чем быстрее охлаждение расплава, тем больше ТП (степень переохлаждения), тем ниже реальная Т кристаллизации. Причем, чем меньше примесей в металле, тем больше он склонен к переохлаждению (до 10 – 30°С).

Рисунок 3 – Кривые охлаждения при кристаллизации

В конце ХIХ в Д.К.Чернов предложил, а затем Тамман, Богвар, Миркин развели теорию кристаллизации. В первом приближении можно рассмотреть как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема процесса кристаллизации

Процесс кристаллизации состоит из 2-х этапов: появления зародышей кристаллов и их роста (рисунок 5). Поскольку для нормальных металлов реализуются восходящие ветви кривых, то

- для получения крупнозернистой структуры нужно Тmin (малое переохлаждение). При этом Ч.Ц. – мало, С.К. – велико.

- для получения мелкозернистой структуры – Тmax. Мелкозернистый металл – более прочен.

9