1.2.3. Анизотропия кристаллов

В пространственном объёме кристаллической решетки атомы рас­положены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных направлениях различны. Такое свойство материи называетсяанизотропией.

Известно, что анизотропны все кристаллы. Степень анизотропности может быть значительной. Исследова­ния монокристалла (единичного кристалла) меди в различных направлениях показали, что предел прочности σв изменяется от 120 до 360 МПа (от 12 до 36 кгс/мм2), а удлинение δ от 10 до 55 %. В отличие от кристаллов аморф­ные тела (например, смола) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и, следовательно, одина­ковые свойства, т. е. они изотропны. В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликри­сталл), свойства во всех направлениях одинаковы (усредненные). Эта независимость свойств от направления называется квазиизотропией. Если в структуре металла создается одинаковая ориентировка кристаллов, то появляется анизотропия.

 

1.2.4. Физико-механические и технологические свойства

 

Металлы сочетают хорошие физико-механические свойства с технологичностью. Металлы обладают высокой прочностью, при­чем прочность на изгиб и растяжение у них того же порядка, что и прочность на сжатие. Плотность стали составляет 7850 кг/м³, что в три раза выше в сравнении с бетоном.

На рис. 7 представлена диаграмма, характеризующая следующие свойства растяжения металла:

- предел упругости при растяжении σ_у, определяемый напряже­нием, при котором остаточная деформация удлинения не превы­шает 0,05 %;

- предел текучести при растяжении σ_т, определяемый напряже­нием, при котором остаточная деформация удлинения не превы­шает 0,2 %;

- предел прочности σ_в, определяе­мый наибольшей нагрузкой, пред­шествующей разрушению.

  Рис. 7. Диаграмма растяжения метал­ла для условных (сплошные линии) и истинных (штриховые линии) напряже­ний: I – область упругой деформации; II – область пластической деформации; III – область развития трещин  

Для определения качественных характеристик сталей важно знать следующие показатели.

Относительное удлинение δ, определяется отношением абсо­лютного удлинения к первоначальному линейному размеру в процентах.

Относительное сужение ψ, определяется отношением поперечной площади образца в месте разрыва к первоначальному сечению в процентах.

Сопротивление металла ударному изгибу – ударная вязкость ε. Это динамическое испытание образцов проводят на маятниковом копре, и характеризует оно способность к хрупкому разрушению.

Предел выносливости К_эф, определяется циклическим нагружением образцов.

Твердость металлов, определяется на твердомерах Бринелля (НВ) или Роквелла (HRС) по величине отпечатков от вдавлива­емых предметов на поверхности металла.

Наклеп – упрочнение, получаемое металлом в результате пла­стической деформации. Выражается в повышении твердости, пре­дела текучести и предела прочности и сопровождается снижени­ем пластичности и вязкости. Наклеп проявляется при холодной обработке металла давлением (волочение, штамповка, загиб). Наклепаный металл вследствие искажения кристаллической решет­ки испытывает внутренние напряжения.

Из технологических свойств металлов особо выделяется ков­кость – способность прокатываться, сплющиваться, например, из железного бруска можно получить тонкую проволоку или кра­сивую кованую решетку, медь можно вытягивать в проволоку тол­щиной в сотые доли миллиметра. Из толстых кусков металла (бол­ванок) получают балки, рельсы большой протяженности.

 

Кристаллизация металлов

Когда металл переходит из жидкого состояния в твердое, этот  процесс называется кристаллизацией. Необходимо знать, что основы теории кристаллизации разработаны основоположником науки о металлах – металловедения Д. К. Черновым. Он установил, что кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или цент­ров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис. 8).

Рис. 8. Последовательные этапы процесса кристаллизации

 

В процессе роста кристаллов к их зародышам при­соединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы свободны и сохраняют правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов друг с другом. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается. В результате кристал­лы не имеют правильной геометри­ческой формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше.

 

На практике это подтверждается в тонких сечениях литых деталей,охлаждающихся более быстро. На этих участках ме­талл всегда получается более мелкозернистым, чем в толстых массивных литых объемах, охлаж­дающихся медленнее.  Метод получения мелкого зерна  при затвердевании металла заключается созданием искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, назы­ваемые модификаторами.Процесс искусственного регулирования размеров зерен получил названиемодифицирования. Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их столкновений между собой, но и составом сплава, наличием примесей и условиями охлаждения. В большинстве случаев при кристаллизации металлов механизм образования кристаллов носит так называемый дендритный характер. Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После обра­зования зародышей их развитие идет главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов (минимальное межатомное расстояние). В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла – так называе­мые оси первого порядка (1 на рис. 10, б). В дальнейшем от осей первого порядка под определенными углами начинают расти новые оси, которые называют осями вто­рого порядка 2, от осей второго порядка растут оси третьего порядка 3 и т. д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка (четвертого, пятого, шестого и т. д.), которые по­степенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом. В условиях, при которых не хватает жидкого металла для за­полнения пространства между осями, например, при затвердева­нии последних объемов слитка, дендритное строение выявляется весьма отчетливо (рис. 10, а).

 

Степень переохлаждения зависит от природы и чи­стоты металла. Чем чище металл, тем при большей степени переохлаждения возникают зародыши твердых кри­сталлов.