4. Металлические материалы.
Из всех известных элементов 80% – это металлы. В Периодической таблице элементов они расположены в левой части. Все металлы, кроме самородных, получают восстановлением соответствующих соединений.
Металлы и металлические сплавы используются как конструкционные и как функциональные материалы. Конструкционные материалы предназначены для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам. Функциональные свойства металлов обусловлены их электропроводностью (теплопроводностью) и ферромагнетизмом.
Конструкционные материалы должны обладать комплексом эксплуатационных, технологических и экономических свойств. Эксплуатационные свойства включают конструкционную прочность, т.е. комплекс механических свойств, обеспечивающих надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации. Конструкционная прочность включает критерии прочности, надёжности и долговечности.
Рассмотрим диаграмму растяжения металлов. (Рис 4.1.)
Рис. 4.1. Кривая растяжения металлов.
От 0 до точки А (σп) осуществляется упругая деформация. Тангенс угла наклона tgα этой прямой характеризует модуль упругости Е = σп/ε (ε = ΔL/L).
От точки А до точки С ( от σп до σт) развивается равномерная пластическая деформация. На этом участке металл упрочняется за счёт наклёпа. В точке С в образце образуется «шейка» - резкое утонение сечения образца.
От С до D развивается сосредоточенная пластическая деформация.
σ0,2 – это нагрузка, при которой развилось 0,2% пластической деформации.
Допустимые напряжения, которые используются в расчётах, выбирают меньше σ0,2 приблизительно в 1,5 раза или меньше σв приблизительно в 2,4 раза. σв – это предел прочности (временное сопротивление), т.е. напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца (точка С на графике 4.1).
При нагревании неравновесная структура, созданная холодным деформированием, переходит в более стабильное состояние. Если температура термообработки не высокая (< 0,3 Тпл), то будет протекать «возврат». Возврат не сопровождается изменением микроструктуры (размер и форма зёрен), а заключается в уменьшении количества точечных дефектов, в основном – вакансий, иногда – в переползании дислокаций и уменьшению их плотности. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению остаточных напряжений.
В результате возврата твёрдость и прочность уменьшается на 10 – 15 %, пластичность, сопротивление коррозионному растрескиванию, удельное объёмное сопротивление уменьшаются, а плотность возрастает.
При более высоких температурах термообработки происходит рекристаллизация. Трекр = α Тпл. Для технически чистых металлов α = 0,3 – 0,4, для химически чистых металлов α = 0,1 – 0,2, для сплавов со структурой твёрдых растворов – 0,5 – 0,6, в тугоплавких растворах α = 0,7 – 0,8. Для примера Трекр Al = 100oC, Cu = 270oC, Fe = 450oC. При рекристаллизации зарождаются новые зёрна и с течением времени может восстановиться исходная структура.
В многофазных сплавах рекристаллизация заторможена и это путь для увеличения предельных рабочих температур материала.
Свойства сплавов прежде всего зависят от состава фаз и их количественного соотношения. Эти сведения получают из анализа диаграмм состояния. Самая простая диаграмма соответствует случаю полной растворимости в твёрдом и жидком состояниях. К таким системам относятся Ni – Cu, Ag – Au, Mo – W и др. Обратимся к рис. 2.5. При охлаждении расплава состава С0 до точки d, соответствующей температуре Т3, начинают образовываться кристаллы состава С2. При дальнейшем охлаждении состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса и при Т2 будут образовываться кристаллы состава Сs. При температуре Т1 – кристаллы состава С1 и так далее. Казалось бы, сплав будет всегда содержать кристаллы самого разнообразного состава. Однако это не так. При медленном охлаждении избыток компонента А из жидкой фазы диффундирует в кристаллы состава С2, Сs, и т.д., доводя их до состава С0. В результате все кристаллы будут иметь состав С0.
Если расплав охлаждать быстро, диффузия будет запаздывать и будут вырастать либо кристаллы разного состава, либо будут образовываться кристаллы с изменяющимся по толщине составом, а именно: внутренние области будут обогащены более тугоплавким металлом, а наружные области – легкоплавким. Этот процесс называется микроликвацией.
Количество фаз определяется соотношением отрезков (см. рис. 2,5) eCl и eCs , а именно: mCs / mCl = eCl /eCs .
Самыми распространёнными конструкционными металлическими материалами являются либо сплавы только железа и углерода, либо дополнительно содержащие различные добавки. В этом случае такие сплавы называют легированными.