§ 3. Макро- и микроструктура

 

Одной из характеристик металла является его структура. Под структурой металла понимают взаимное расположение различных фаз, их форму и размер.

Макроструктура - это строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (30 - 40раз). С помощью анализа макроструктуры в металле обнаруживают крупные неметаллические включения, пористость, усадочные раковины, трещины, выявляют направление волокон после обработки металла давлением.

Микроструктура - это строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях с помощью микроскопа. С помощью анализа микроструктуры определяют величину и расположение зерен металла, размеры и количество мелких неметаллических включений и различных фаз в металле, контролируют состояние структуры поверхностного слоя изделия, выявляют микродефекты (мелкие трещины, раковины и т. д.).

Установлено, что структура металла является одним из основных факторов, определяющих свойства металлических изделий. С помощью макро- и микроанализа металла заготовок и изделий своевременно выявляют дефекты металла, которые могут понизить эксплуатационные свойства и надежность изделий в работе. Поэтому контроль структуры производят на всех этапах изготовления изделий: от выплавки металла до термической обработки готовых деталей.

Изучение структуры металла проводят на специально подготовленных плоских и гладких поверхностях - шлифах. Приготовление шлифа заключается в шлифовке и последующей полировке металла. Полировку металла проводят двумя способами: механическим (на абразивных материалах) и электролитическим (с помощью растворения в специальном реактиве под действием электрического тока).

Для выявления структуры металла существуют различные способы. Чаще всего применяют химическое травление. При этом способе на поверхность шлифа воздействуют специальным реактивом (в зависимости от цели исследования), который выявляет границы зерен, различные фазы, неметаллические включения, поверхностные , слои, поры, трещины и прочие детали строения металла.

Для практических целей обычно проводят исследование макроструктуры и микроструктуры.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что изучает наука металловедение?

2. Кто провел первые металлографические исследования железа и его сплавов?

3. Кто создал основы научного металловедения?

4. Какие типы кристаллических решеток имеет большинство металлов?

5. Какие металлы имеют кубическую объемно-центрированную решетку?

6. Какие металлы имеют кубическую гранецентрированную решетку?

7. Какие металлы имеют компактную гексагональную решетку?

8. Как происходит кристаллизация металлов?

9. Какие металлы относятся к черным?

10. Какие металлы относятся к цветным?

11. Что такое макро- и микроструктура?

12. С какой целью проводят изучение макро- и микроструктуры металла?

Глава II свойства металлов и методы их определения

§ 4. Физические, химические и технологические свойства металлов

Одним из основных факторов, обеспечивающих выпуск надежной и качественной продукции машиностроительных предприятий, является правильный выбор металлов для различных изделий и конструкций. Для этого надо хорошо знать условия работы деталей и конструкций и свойства предназначаемых, для них металлов.

Свойства металлов и сплавов делятся на несколько групп: физические, механические, химические, технологические, специальные.

Физические свойства металлов. Плотность (кг/м³) - отношение массы металла к его объему. Металлы с малой плотностью применяют при изготовлении легких конструкций, например сплавы магния и алюминия в самолетостроении.

Температура плавления (°С) - температура, при которой металл переходит в жидкое состояние. Легкоплавкие сплавы - алюминий с Т_пл 660°С, олово с Т_пл 232°С, тугоплавкие - вольфрам с Т_пл 3416°С, железо с Т_пл 1539°С.

Тепловое расширение - равномерное увеличение объема (длины) тела при нагревании. Характеризуется коэффициентом расширения α (град ^-1). Этот коэффициент показывает относительное изменение линейных размеров тела при изменении температуры на один градус.

Обычно определяют средний коэффициент линейного расширения ее, характеризующий тепловое расширение в широком интервале температур: от 0° или 20°С до заданной.

Коэффициент объемного расширения в три раза больше коэффициента линейного расширения.

Тепловое расширение при выборе металлов учитывают для конструкций, работающих при переменных и повышенных температурах.

Коэффициент линейного расширения углеродистой стали при 20°С составляет 12 ×10^-6, вольфрама - 4,3×10^-6 дуралюмина - 22×10^-6 град^-1.

Теплопроводность [Вт/(м×К)] - способность передавать теплоту от нагретых зон более холодным.

Коэффициент теплопроводности λ показывает, какое количество теплоты может пройти перпендикулярно площади 1 м² на расстояние 1 м при разности температур 1К на противоположных сторонах куба.

Теплопроводность учитывается при конструировании узлов, в которых металл не должен перегреваться. Коэффициент теплопроводности стали 45,4, алюминия 209,3, серебра 418,7 Вт/(м×К).

Электропроводность - способность металла проводить электрический ток.

С повышением температуры электропроводность уменьшается, с понижением - повышается. Электропроводность учитывается при выборе материала для изготовления электрических проводов и различных датчиков.

Удельное электросопротивление алюминия 2,69×10^-6, вольфрама - 5,5×10^-6, меди - 1,67 ×10^-6 Ом/см при 20°С.

Магнитные свойства характеризуются магнитной восприимчивостью - способностью вещества намагничиваться в магнитном поле. Хорошо намагничивающиеся вещества называют ферромагнетиками. Это железо, никель, кобальт и ряд сплавов. Их применяют в электротехнике и приборостроении.

Химические свойства металлов. К этим свойствам относят способность металлов вступать в реакцию с рабочей средой. Распространенным явлением является коррозия - разрушение металлов вследствие химического и электрохимического взаимодействия их с внешней средой. Из-за коррозии ежегодно теряется ~1,5% всего эксплуатируемого металла. Поэтому применяют специальные методы защиты металлов от коррозии, а также коррозионно-стойкие в различных средах сплавы.

Технологические свойства металлов. Пригодность металла для изготовления различных конструкций и деталей не всегда можно оценить по физическим и механическим свойствам. Для более точной оценки качества металла проводят определение его технологических свойств. К ним относятся литейные свойства, свариваемость, способность обрабатываться давлением и резанием. Определение технологических свойств проводится с помощью специальных проб. Ниже рассматриваются некоторые из них. Известно, что сталь одной марки, но разных плавок может иметь различную пластичность. Для выбора способа горячей обработки давлением необходима предварительная оценка пластичности.

Определение ковкости проводят на пробах массой до 1 кг, отлитых по ходу плавки или разливки. Процесс определения ковкости заключается в том, что пробы в форме стаканчика проковывают на квадратный стержень сечением 15×15 мм. Затем стержень загибают молотком на 180° до соприкосновения сторон.

Ковкость считается хорошей при отсутствии на пробе надрывов, трещин и других дефектов, Ковкость считается удовлетворительной при появлении на наружных гранях пробы незначительных надрывов. Считают, что при разрушении пробы или появлении больших надрывов и трещин сталь непригодна для горячей обработки давлением.

Проба на свариваемость служит для определения способности стали принимать заданный по размерам и форме загиб по месту сварки.

Испытание заключается в загибе сваренного образца в месте сварки по одному из следующих вариантов: загиб до определенного угла, загиб вокруг оправки до параллельности сторон; загиб до соприкосновения сторон образца. Сталь считают выдержавшей пробу при отсутствии в образце после загиба трещин, надрывов, расслоений или излома. Такая сталь, имеющая сварные швы, может подвергаться пластической деформации.

Листовая сталь испытывается на загиб по такой же схеме, но без разрезки и сварки образца. Сохранение сплошности после испытания считается признаком того, что образец выдержал пробу.

Существует ряд других технологических проб, применяемых в различных производствах.