Письменные лекции

«Материаловедение. ТКМ»

Часть I

Козлов Г.С.

Содержание

стр.

1. Свойства и строение металлов 3

2. Кристаллизация металлов 13

3. Механические свойства металлов 17

4. Деформация и разрушение металлов 26

5. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла 36

6. Строение и свойства типовых двухкомпонентных сплавов 41

7. Железо и сплавы на его основе 49

8. Углеродистые стали 58

9. Чугуны 62

1. Свойства и строение металлов

1. Свойства металлов

Металловедение это наука, изучающая связь состава, строения и свойств металлов и сплавов в различных термодинамических условиях.

Основы научного металловедения были заложены великими русскими металлургами П. П. Аносовым (1799 – 1851) и Д. К. Чер­новым (1839 – 1921). П. П. Аносов впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов, установил связь строения и свойств стали, разработал научные принципы получения стали высокого качества, раскрыл секрет производства булата. Д.К. Чернов, работавший в Петербурге на Обуховском заводе, открыл существование критических температур фазовых превра­щений в стали (критических точек) и их связь с содержанием угле­рода. Он заложил основы создания диаграммы сплавов железо – углерод, являющейся важнейшей в металловедении. Им была разработана теория кристаллизации металлов и термической обра­ботки стали. По словам академика А.А. Байкова, значение Д.К. Чернова для металлургии соизмеримо со значением Менделеева Д. И. для химии.

Большое значение для развития металловедения имели труды Н.Н. Курнакова (1860 – 1941), разработавшего методы физико-химического анализа сплавов и построения диаграмм состояния, А.А. Байкова (1870 – 1946), предложившего физико-химическую интерпретацию металлургических процессов, С.С. Штейнберга (1872 – 1940) и Н.И. Минкевича (1883 – 1942), внесших существенный вклад в развитие теории и технологии термической обработки. Использование методов рентгеновского анализа для исследования металлов позволило немецким ученым М. Лауэ и П. Дебаю, а также У.Г. Брэггу и У.Л. Брэггу (Англия) установить их кристал­лическое строение и изучить изменения структуры сплавов при разных способах обработки. Для развития современного металловедения важную роль сыграли работы Г.В. Курдюмова, В.Д. Са­довского (СССР), Юм-Розери и Н. Мотта (Англия), Ф. Зейтца (США) и др.

Металлы делятся на две большие группы: железо и сплавы на основе железа (сталь, чугун) называют черными металлами, а остальные металлы (Al, Mg, Cu, Ni, V, Zn, Ti, W, Mo и др.) и их сплавы – цветными.

Помимо черных и цветных металлов и сплавов разли­чают;

• легкие металлы (Mg, Be, Al, Ti), обладающие малой плот­ностью;

• легкоплавкие металлы (Zn, Sn, Pb) с температурой плавления соответственно 419,5; 232; 327 °С;

• тугоплавкие металлы (W, Mo, Nb, Та) с температурой плавле­ния выше, чем у железа;

• благородные металлы (Ag, Au, Pt) с высокой устойчивостью против коррозии;

• урановые металлы (актиниды), используемые для атомной техники;

• редкоземельные металлы (РЗМ) – лантаноиды;

• щелочноземельные металлы (Na, К, Zn) – в свободном состоя­нии почти не применяются (исключение – теплоносители в атом­ных реакторах)

76 элементов периодической системы Д. И. Менделеева из 106, известных в настоящее время, являются металлами. Такие эле­менты, как Si, Ge, As, Se, Те являются промежуточными между металлами и неметаллами.

Свойства металлов разнообразны. Ртуть не замерзает при тем­пературах ниже 0°С, вольфрам выдерживает рабочие температуры выше 2000°С, литий легче воды, а осмий во много раз тяжелее. Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:

• высокая пластичность;

• высокая тепло- и электропроводность;

• хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);

• термоэлектронная эмис­сия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве; кристаллическое строение.

Общность первых четырех свойств металлов обусловлена особым типом межатомной связи, называемой металлической связью.

Известно, что атом состоит из положительного ядра и отрица­тельных частиц – электронов. Внешние (валентные) электроны металлов в отличие от неметаллов слабо связаны с ядром. Поэтому атомы металлов легко теряют валентные электроны, превращаясь в ионы, в освободившиеся электроны образуют так называемый электронный газ.

Металлическая межатомная связь не имеет направленного характера. Электроны электронного газа не связаны с отдельными атомами, а в одинаковой степени принадлежат всем ионам металла. Металл состоит из правильно расположенных в пространстве ионов и легко перемещающихся среди них обобщенных элек­тронов.

Наличие металлической связи и легкоподвижных коллективи­зированных электронов объясняет характерные свойства метал­лов.

Благодаря ненаправленному характеру связи при пластиче­ской деформации, т. е. при смещении отдельных объемов металла, связь между ионами не нарушается и разрушения не происходит. Ионы как бы плавают в облаке электронного газа, что обусловли­вает высокую пластичность металлов.

Из рис. 1 видно, что при новом расположении ионов металла характер связи между ними сохраняется прежним.

Наличие электронного газа объясняет высокую электро- и теплопроводность металлов. Под влиянием электрического поля свободные электроны имеют возможность ускоряться, что объяс­няет высокую электропроводность.

С увеличением температуры усиливаются колебания ионов и снижается электропроводность. Наоборот, при понижении тем­пературы электропроводность растет и в ряде случаев может наблюдаться явление сверхпроводимости.

Высокая теплопроводность металлов объясняется участием свободных электронов, наряду с ионами, в передаче тепла.

Характерный металлический блеск обусловлен взаимодей­ствием электромагнитных световых волн со свободными электро­нами,