ВВЕДЕНИЕ
Предметом металловедения является изучение связей между составом, обработкой, строением и свойствами металлов и сплавов. Центральным звеном этих связей является внутреннее строение, структура металлов.
Внутреннее строение определяется в первую очередь:
Составом металла или сплава (первая главная связь). При данном составе строение изменяется в зависимости от отработки (вторая главная связь).
В настоящее время применяются два различных вида обработки, изменяющие строение: термическая обработка и пластическая деформация. В свою очередь внутреннее строение определяет свойства металлов и сплавов (третья главная связь). Изучение этих трех главных связей составляет содержание науки металловедения.
Металловедение является научной основой изыскания сплавов, обладающих сочетанием определенных полезных технических свойств. Так как свойства зависят не только от состава, но и от обработки, то металловедение является научной основой технологических процессов, связанных с термической обработкой и пластическим деформированием. Одна и таже сталь в результате термической обработки может быть пластичной и малопрочной или высокопрочной, но хрупкой. После холодной пластической деформации прочность металла или сплава может повыситься в 2-3 раза, а последующий нагрев возвратит металл в пластичное состояние. Последние годы предложены технологические процессы комбинированной (термомеханической) обработки, которые сочетают термическую обработку и пластическую деформацию.
ГЛАВА I
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
МЕТАЛЛОГРАФИЯ И ЕЕ ЗАДАЧИ
Сегодня вряд ли можно назвать хотя бы одну отрасль промышленности, в которой не применяются металлы. В энергомашиностроении, тяжелом и транспортном машиностроении, станкостроении, в автомобильной промышленности и многих других отраслях промышленности основное оборудование изготовляется из металла. Поэтому разработка и освоение технологии производства современных металлов и сплавов, необходимых нашей промышленности, является одной из важнейших задач науки и практики.
Металловедение - наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения при воздействии различных факторов (механических, химических, тепловых, электромагнитных, радиоактивных и др.).
Металлография является одним из разделов науки о металлах - металловедения. Металлография изучает влияние химического состава и различных видов обработки на структуру металлов.
Большой вклад в развитие науки о металлах внесли отечественные ученые. Первые металлографические исследования железа и его сплавов провел в России П. П. Аносов (1799-1851), который применил микроскоп для изучения структуры стали и ее изменения после конки и термообработки и установил существование связи между строением и свойствами стали.
Основы научного металловедения были заложены русским металлургом Д. К. Черновым (1839-1921), который открыл зависимость свойств стали от температуры нагрева и охлаждения, выявил взаимосвязь структур и свойств стали. Работы Д. К. Чернова являются основой современного металловедения, и теории термической обработки стали. В начале XX в. Н.С. Курнаков вместе с учениками провел исследования многих сплавов, построил диаграммы состояния и установил зависимости между составом, структурой и свойствами различных сплавов, применив методы физико-химического анализа.
В создании теории и практики термической обработки металлов многое сделано С. С. Штейнбергом и его учениками. Для развития металловедения имеют большое значение работы отечественных ученых Г. В. Курдюмова, Д. В. Садовского, А. А. Бочвара, С. Т. Конобеевского. Многое для развития технологии термической и химико-термической обработки сплавов сделали Н. А. Минкевич, Н. Т. Гудцов, А. А. Бочвар и др.
МЕТАЛЛЫИ СПЛАВЫ
Строение. По своему строению все твердые вещества делятся на аморфные и кристаллические. Аморфными называют твердые вещества, атомы которых расположены в пространстве беспорядочно (стекло, многие пластмассы, смолы и др.). Кристаллическими называют твердые вещества, атомы (ионы) которых расположены в пространстве в строгом, периодически повторяющемся порядки и образуют кристаллическую решетку (металлы, соли и др.).
Кристаллическая решетка состоит из большого количества одинаковых элементарных ячеек, образованных атомами металла. Однако кристаллическая решетка реальных металлов имеет ряд нарушений. Это, например (рис. 1),
Рис. 1. Схема кристаллической решетки:
1- вакансия, 2- дислокация
вакансии 1 - незанятые атомами узлы кристаллической решетки, дислокации 2 - нарушения в расположении целого ряда атомов.
Характеристиками кристаллической решетки являются: период решетки - расстояние а и с (рис. 2) между центрами двух соседних атомов по ребру элементарной ячейки. Периоды решетки измеряют в ангстремах (1А=10-8 см) и килоиксах (1КХ= 1,00202 ×10-8 см); координационное число К - количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке; атомный радиус - половина расстояния между центрами ближайших атомов и кристаллической решетке без искажений; базис решетки - количество атомов в одной элементарной ячейке решетки; коэффициент компактности η решетки - отношение объема, занимаемого атомами, ко всему объему решетки.
Существует большое количество кристаллических решеток различной сложности. Большинство металлов имеет простейшие типы кристаллических решеток: кубическую объемно-центрированную (ОЦК) - рис. 2, а, кубическую гранецентрированную (ГЦК) - рис. 2,б, гексагональную плотноупакованную (ГПУ) рис. 2, в.
Рис.2. Типы кристаллических решеток металлов.
Кубическую объемно-центрированную решетку имеют Fе (при температуре ниже 910°С), Сг, Мо, Nb, Ва, V, Nа и др. ОЦК решетка имеет период а, координационное число К=8, базис решетки равен 2, коэффициент компактности η = 68%.
Кубическую гранецентрированную решетку имеют Fе (при температуре выше 910°С), А1, Ni, Сu, Аu, Рb, Аg, Рtи др. ГЦК решетка имеет период а, координационное число К =12, базис решетки равен 4, коэффициент компактности η = 74%.
Гексагональную плотноупакованную решетку имеют Мg, Zn, Ве, Os, Rе и другие металлы. ГПУ решетка имеет периоды а и с (с/а = 1,633), координационное число К =12, базис решетки равен 6, коэффициент компактности η=74%.
Упрощенно можно считать, что атомы металлов состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных частиц - электронов. Электроны движутся вокруг ядра на различных расстояниях, образуя электронную оболочку. Наружные (валентные) электроны атомов металла, находящегося в жидком и твердом состояниях, слабо притягиваются ядром и могут свободно «переходить» от одного атома к другому, как бы образуя «электронный газ».
Атомно-кристаллическим строением объясняются физико-химические и механические свойства металлов (высокая электро- и теплопроводность, металлический блеск, пластичность и др.).
Все металлы представляют собой поликристаллические вещества, т. е. состоят из множества мелких (10-1 – 10-3 см) кристалликов неправильной формы. Эти кристаллики называются кристаллитами или зернами. Зерна металла имеют различную ориентацию в пространстве. Зерна (рис. 3, а) состоят из совсем маленьких мало разориентированных участков – блоков- 10-5 – 10-3 см. (рис. 3,б).
Рис.3. Схема ориентации зерен (а) и блоков (б) в металле.
Чистые металлы (содержат 9,99-99,999% основного металла) применяют в промышленности в ограниченном количестве и только для специальных целей. Наиболее широкое применение находят различные сплавы.
Сплавы получают различными способами. Чаще всего сплавы получают сплавлением двух или нескольких металлов или металлов с неметаллами. Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами. Сплав состоит из одной или нескольких фаз. Фаза - это часть сплава, имеющая одинаковые состав и агрегатное состояние и отделенная от остальных частей поверхностью раздела. Чистый твердый металл является однофазной системой, а затвердевающий металл двухфазной системой: кристаллы - твердая фаза, а расплав - жидкая фаза.
Кристаллизация. Процесс перехода чистого металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации схематически можно представить следующим образом (рис. 4). Нагретый жидкий металл постепенно охлаждается от температуры Т до температуры плавления Тпл При этой температуре Тпл начинается процесс кристаллизации металла, который продолжается определенное время от t1 до t2. В этот период температура металла не понижается, так как процесс идет с выделением теплоты. Процесс кристаллизации начинается с образования мельчайших твердых частиц - зародышей. Зародыши являются центрами кристаллизации. Из них растут твердые кристаллы. До определенного момента количество центров кристаллизации увеличивается, и сами кристаллы растут до соприкосновения друг с другом, при этом количество жидкого металла все время уменьшается. Когда весь жидкий металл превращается в твердый - процесс кристаллизации закончен, дальше происходит охлаждение уже твердого металла.
Рис.4. Схема кристаллизации металлов.
Строение сплава зависит от характера взаимодействия компонентов, которые его образуют. Если компоненты образуют раствор не только в жидком состоянии, но и в твердом - это твердый раствор. Он однофазный (рис. 5, а), имеет одну кристаллическую решетку. Если атомы одного компонента частично замещают атомы другого компонента в кристаллической решетке (рис. 5, б), то это твердый раствор замещения. Если же атомы одного компонента располагаются между атомами другого компонента в кристаллической решетке (рис. 5, в), то это твердый раствор внедрен и я.
Рис.6. Кристаллическая решетка металла:
а- чистый металл, б- твердый раствор замещения, в- твердый раствор внедрения
Компоненты сплава в результате химического взаимодействия могут образовать химическое соединение.
Компоненты могут не образовывать твердого раствора и не вступать в химическое соединение. В этом случае сплав представляет собой механическую смесь компонентов.
Черные и цветные металлы. Металлы условно делятся на две большие группы: черные и цветные.
К черным металлам относятся Fе, Со, N1, Мn, тугоплавкие металлы Nb, Тi, W и др. (их температура плавления выше 1539°С), урановые металлы (актиноиды) Тh, U, Pu и другие, редкоземельные металлы (лантаноиды) Се, La и др. К цветным металлам относятся легкие металлы (Ве, Мg, А1), благородные металлы (Аg, Аu, Рt), Сu, легкоплавкие металлы (Zn, Сd, Sn. Рb) и др.
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 МЕТОДЫИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ