Металловедение.
Металлы — кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами. Свойства металлов обусловлены их строением: в их кристаллической решетке есть не связанные с атомами электроны, которые могут свободно перемещаться.
В технике обычно применяют не чистые металлы, а сплавы, что связано с трудностью получения чистых веществ, а также с необходимостью придания металлам требуемых свойств.
Сплавы — это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов. В строительстве применяют сплавы железа с углеродом (сталь, чугун), меди и олова (бронза) и меди и цинка (латунь) и др. На практике термин «металлы» распространяют и на сплавы, поэтому далее он относится и к металлическим сплавам.
Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные.
К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь).
Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные, а по назначению — конструкционные, инструментальные и специальные.
Чугун — сплав железа с углеродом (более 2,14%), некоторым количеством марганца (до 2%), кремния (до 5%), а иногда и других элементов. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серый и ковкий.
К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана и др.
Широкое использование металлов в строительстве и других отраслях экономики объясняется сочетанием у них высоких физико-механических свойств с технологичностью.
Металлы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них практически такая же, как и на сжатие (у каменных материалов прочность на изгиб и растяжение в 10… 15 раз ниже прочности на сжатие). Так, прочность стали более чем в 10 раз превышает прочность бетона на сжатие и в 100…200 раз прочность на изгиб и растяжение; поэтому, несмотря на то что плотность стали (7850 кг/м) в 3 раза выше плотности конструкционного бетона (2400 + 50 кг/м), металлические конструкции при той же несущей способности значительно легче и компактнее бетонных. Этому способствует также высокий модуль упругости стали (в 10 раз выше, чем у бетона и других каменных материалов). Еще более эффективны конструкции из легких сплавов.
Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и т. п.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.
Однако с точки зрения строителя металлы имеют и недостатки. Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня. Это объясняется тем, что при нагревании прочность металлов резко снижается и металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб экономике наносит коррозия металлов. Металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.
—-
Наука, изучающая состав, строение и свойства металлов и сплавов, а также зависимость между внутренним строением (структурой) и свойствами металлических сплавов называется металловедением.
Отличительными особенностями металлов являются: блеск, ковкость, непрозрачность, теплопроводность и электропроводность.
Таким образом, под термином «металлы» понимают всю группу металлических материалов — чистые металлы и сплавы. Чистые металлы используют только в тех случаях, когда от материала требуются высокие показатели теплопроводности, электропроводности и высокая температура плавления. Эти свойства у них всегда выше, чем у сплавов.
Основными материалами при монтаже металлоконструкций, трубопроводов и оборудования являются сплавы, имеющие по сравнению с чистыми металлами следующие преимущества: – более высокую прочность; – способность изменять свойства при изменении химического состава; » – способность улучшать свойства под влиянием термической обработки; – более низкую температуру плавлеиия; – большую текучесть в расплавленном состоянии; – меньшую усадку.
Указанные свойства сплавов имеют большое практическое значение, так как позволяют получать всевозможные металлоконструкции с показателями, отвечающими требуемым эксплуатационным условиям.
Применяемые в технике сплавы делят на две группы:
I группа — сплавы на основе железа (сталь, чугун);
II группа—сплавы на основе металлов (сплавы на медной, алюминиевой, магниевой и другой основе — бронза, латунь, силумины и др.).
К физическим свойствам металлов относятся: удельный вес, теплопроводность, электропроводность и температура плавления.
Удельный вес — это вес 1 см3 металла, сплава или любого другого вещества, выраженный в граммах. Например, удельный вес железа равен 7,88 г/см3. Удельные веса наиболее распространенных металлов приведены в табл. 1.
Теплопроводность — способность металлов и сплавов проводить тепло. Теплопроводность измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением 1 см2 за 1 мин.
Электропроводность — способность металлов и, сплавов проводить электричество. Это свойство наиболее характерно для чистых металлов. Для сплавов более характерным является свойство, обратное электропроводности — электросопротивление.
Удельным электрическим сопротивлением называется сопротивление проводника сечением 1 мм2 и длиной 1 м, выраженное в омах.
Температура плавления — степень нагрева, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое (табл. 1).
К механическим свойствам металлов и сплавов относят: твердость, прочность, упругость, пластичность.
Эти свойства обычно являются решающими показателями, определяющими способность металлов сопротивляться прилагаемым к детали, узлам и металлоконструкциям внешним нагрузкам, характеризующим пригодность сплава” или изделия к различным условиям эксплуатации.
Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого, более твердого тела.,
Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.
Упругость —способность металла принимать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки.
Пластичность (вязкость) — способность металла изменять первоначальные формы и размеры под действием нагрузки и сохранять приданные формы и размеры после прекращения ее действия.
К технологическим свойствам относят обрабатываемость резанием, ковкость, жидкотекучесть, усадку, свариваемость и другие свойства, определяющие пригодность материала к обработке тем или иным способом.
Обрабатываемость резанием — способность металла более или менее легко обрабатываться острым режущим инструментом.
Ковкость — способность металла поддаваться обработке давлением, принимать новую форму и размеры под влиянием прилагаемой нагрузки без нарушения целостности.
Жидкотекучесть — способность расплавленного металла или сплава заполнять литейную форму.
Усадка—уменьшение объема отливки при охлаждении сплава.
Свариваемость — способность металлов образовывать прочные соединения отдельных металлических заготовок путем их местного нагрева до расплавленного или пластического состояния.
Химические свойства металлов — это способность металлов вступать в соединения с различными веществами, и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды называется коррозией.
ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Упругая и пластическая деформации металлов
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил (нагрузки) — внешних или возникающих при различных физико-механических процессах, проходящих в самом теле. Наиболее простые виды деформации тела: растяжение-сжатие, сдвиг, изгиб, кручение, (рис. 3.1).
Деформация может быть обратимой, т.е. исчезать после снятия нагрузки, вызвавшей ее, и необратимой — оставаться после удаления сил, под действием которых она возникла. Обратимая деформация называется упругой, а необратимая — пластической (остаточной) деформацией.
Наиболее наглядное представление о различных стадиях процесса деформации можно получить из диаграммы деформации тела под воздействием возрастающей нагрузки, которая строится по результатам опыта в координатах деформация — сила (рис. 3.2). Для металлов и их сплавов диаграмма деформации имеет два характерных участка: в на-
Рис. 3.1. Изменение расстояния между точками Л и В при различных видах деформации:
а — растяжение; 6 — сжатие; в — сдвиг узельных атомов в соседние междоузлия
Рис. 3.2. Схема процесса деформации
чальной стадии нагружения до определенной нагрузки макроскопическая деформация возрастает по линейному закону (закон Гука), а затем зависимость между силой и деформацией становится криволинейной. Кривая деформации практически обрывается в тот момент, когда происходит лавинное разрушение тела и вследствие этого нагрузка очень быстро спадает.
Если на первой стадии нагружения приостановить рост силы, а затем снять ее, то деформация в макромасштабе практически полностью исчезает. При снятии же нагрузки на второй стадии исчезает только упругая часть деформации. В соответствии с этим весь процесс деформации разделяют на три последовательно проходящие одна за другой стадии (рис. 3.2):
Рис. 3.3. Образование напряжений при приложении силы Р к площади S: а - нормальные напряжения растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные);т - касательные напряжения
Для проведения расчетов на прочность конструкций или их элементов введено понятие напряжений, характеризующее внутренние силы, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения тела. Так как сила РУ приложенная к некоторой площадке S обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, возникают нормальные (а) и касательные (т) напряжения (рис. 3.3). Опытное изучение напряженного состояния проводится методом тензометрии, а также с помощью оптических методов (например, поляризационно-оптического).
Напряжения вызываются разными причинами, поэтому различают:
Рис. 3.4. Схемы пластической деформации скольжением (я) и дислокационного пластического сдвига:
6 — положение дислокации до скольжения; в — изменение положения дислокации при деформации; г — выход дислокации на поверхность кристалла; А—А — плоскость скольжения; напряжение сдвига; 1—6,1'—6' — расположение атомов по обе стороны от плоскости скольжения
Плоскость скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образуют систему скольжения. Число систем скольжения зависит от типа решетки — у металлов с ГЦК решеткой (y-Fe, Си, А1 и др.) 12 эквивалентных систем скольжения; с ОЦК решеткой — 48; с ГПУ решеткой (Mg, Zn и др.) — 3. Поэтому эти металлы менее пластичны, чем металлы с ГЦК и ОЦК решетками.
В идеальном кристалле, без дефектов структуры, в скольжении одновременно участвуют все атомы, находящиеся в плоскости сдвига. Требуемое критическое касательное напряжение называется теоретической прочностью кристалла. В реальном кристалле пластическая деформация происходит последовательным перемещением дислокаций на одно межатомное расстояние (рис. 3.4), что требует напряжения значительно меньше теоретического значения. При выходе дислокаций на поверхность кристалла одна его часть сдвигается относительно другой на одно межатомное расстояние. Пробег многих дислокаций приводит к макросдвигу, т.е. пластической деформации.
Скольжение дислокаций не связано с диффузией (не происходит массопереноса), поэтому и при отрицательных температурах, когда скорость диффузии мала, дислокации перемещаются сравнительно легко.
Двойникование (рис. 3.5) — переориентация части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой
Рис. 35. Схемы пластической деформации двойнико- ванием (а, б) и полностью двойникованные мартенситные кристаллы (в), X G00:
Рис. 3.6. Схема микроструктуры до и после деформации (я); б - микроструктура монокристалла кремнистого железа (е ~ 1%):
А и Б — плоские ряды винтовых дислокаций разного знака, X 20 000
Пластическая деформация вызывает изменение структуры и свойств поликристаллического металла. Повышение плотности дислокаций (от р = 108 см-2 до р = 1012 см-2) и других дефектов кристаллического строения затрудняют движение дислокаций — увеличивается сопротивление деформации, т.е. уменьшается пластичность и повышается прочность. Напряжение сдвига растет пропорционально плотности дислокаций. Упрочнение (повышение прочности) металла под действием пластической деформации называется наклепом или нагартовкой. Пластическая деформация изменяет не только механические, но и другие свойства материала (рис. 3.7, а). С увеличением степени деформации возрастает электросопротивление, коэрцитивная сила, коррозия. Однако ударная вязкость, теплопроводность, магнитная проницаемость резко падают.
 
Рис. 3.7. Зависимость механических свойств металла (предела прочности ав, условного предела текучести ст0 2 и относительного удлинения б) от степени деформации е (а) и схемы образования трещины при слиянии дислокаций у препятствия (б) и пересечении двух плоскостей скольжения (в); разрушение образца стали 5ХНМ после электроэрозионной обработки при растяжении (г): в верхней части хрупкое разрушение, в нижней - вязкое
|