5.1. Химический состав

Чистые металлы (правильнее следует называть их технически чистыми металлами, т. к. они обязательно содержат какие-то примеси, даже и в очень маленькой доле) редко используются, поскольку практически все они обладают более низкими свойствами, чем сплавы. Так, железо («технически чистое», с малым содержанием углерода, примесей серы, фосфора и др. химических элементов), используемое в XVII–XIX вв., сначала было вытеснено лучшими по свойствам углеродистыми сталями, состоящими из железа и углерода (до 1,3 %), а позднее — легированными (марганцем, кремнием, молибденом, вольфрамом и др. химическими элементами в различных комбинациях) сталями.

Металлы и сплавы делятся на две группы:

1. черные металлы (железо и сплавы: стали и чугуны, имеющие в своей основе железо);

2. цветные металлы и сплавы (алюминиевые, медные, цинковые, титановые, оловянистые и др.).

Наибольшее распространение имеют черные металлы, т. к. при своей относительно низкой стоимости они обладают достаточно высокими значениями прочности и долговечности.

В реальных механизмах сопрягаемые детали изготовляются из различных материалов. Так, вал изготовляется из стали, обладающей высокой твердостью, а подшипник скольжения — из мягкого сплава (меди, бронзы, олова и др.).

5.2. Макро- и микроструктура металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов в основном определяются их внутренним строением — структурой. Различия в свойствах металлов обусловливаются природой атомов. Так, атомы железа не сходны с атомами алюминия или меди и др. элементов, поэтому каждый металл имеет свои индивидуальные свойства. Но не только природой атомов определяются свойства металлов. Они зависят еще и от того, как атомы связаны между собой, каково расстояние между ними, каков порядок их расположения. Если изменить расстояние между атомами или их размещение, то изменятся и свойства металла.

В твердых телах атомы могут располагаться либо беспорядочно (аморфные тела), либо в определенном порядке (кристаллические тела). Атомы кристаллических тел размещаются в строгом, геометрически правильном порядке. Все металлы и их сплавы являются кристаллическими телами.

Любой металл состоит из огромного количества кристаллов, плотно примыкающих друг к другу. На свойства металлов влияют не только порядок расположения атомов внутри кристалла, но и форма отдельных кристаллов, их размеры и границы соприкосновения. Эти факторы оказывают большое влияние на механические свойства металлов.

Если порядок расположения атомов — природное свойство металла, то форма кристаллов и их размеры определяются процессом перехода металла из жидкого состояния в твердое. В результате затвердения образуется структура, состоящая из различных по величине зерен. Структура металлов и сплавов может быть очень сложной и состоять из смеси чистых металлов, твердого раствора различных элементов в металле и химических соединений компонентов, входящих в сплав.

Величина и форма кристаллов, образовавшихся при затвердевании, не остаются постоянными. При нагревании или деформировании металлов и сплавов (ковка, прокатка, штамповка и др.) структура их меняется. Этим пользуются для получения металлов и сплавов с необходимыми свойствами.

Кристаллическое строение можно наблюдать при рассмотрении поверхности излома какого-либо металлического изделия. Например, у литой стали в изломе видна крупнозернистая структура, а после термической обработки она становится мелкозернистой. Более полное представление о кристаллической структуре металла получается при рассмотрении шлифованной и полированной его поверхности после обработки (протравливания) специальными химическими реактивами.

Различают макро- и микроструктуру металла. Макроструктурой называют строение металла, различимое на полированной и протравленной поверхности макрошлифа при увеличении его под микроскопом (лупой) до 30 раз. При этом выявляются структурные пороки — наличие посторонних включений, газовых пузырьков, рыхлости и др. Микроструктура — строение металла, видимое на полированной и протравленной поверхности микрошлифа при увеличении в 100…300 и более раз. Микроструктура дает представление о границах между зернами, позволяет судить об их очертаниях и размерах и определять количество, форму и расположение структурных составляющих.

Материалы, имеющие один и тот же химический состав, могут иметь разную структуру. Например, серый и белый чугун могут иметь одинаковое количество углерода, но в первом он находится в виде графита, а во втором в виде химического соединения железа с углеродом — цементита. В результате этого имеется большое отличие в свойствах, так белый чугун хрупкий, склонен к трещинообразованию, поэтому в конструкциях можно использовать только серый чугун.