Металлы
ЛИТОБЗОР
Из 104 элементов периодической системы Д. И. Менделеева 82 элемента являются металлами. Все металлы являются кристаллическими телами, в которых атомы расположены закономерно и периодически.
Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого количества мелких различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Вследствие условий кристаллизации, кристаллы имеют неправильную форму называются кристаллами или зернами металла.
Металлы в твердом состоянии и отчасти в жидком состоянии обладают высоко тепло - и электропроводностью, а также положительным температурным коэффициентом электросопротивления. Большое количество металлов обладает сверхпроводимостью, термоэлектронной эмиссией хорошей отражательной способностью. Наиболее характерные свойства металлов объясняются наличием в них легко подвижных электронов проводимости. Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Атом в стационарном состоянии нейтрален. Число электронов в атоме равно положительному заряду ядра и соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе элементов.
Атомы металлов содержат на внешнем энергетическом уровне небольшое число электронов. Связь электрона с атомом определяется работой выхода электрона, то есть работой, необходимой для удаления из изолированного атома внешнего электрона.
Устойчивость металла, представляющего собой иона – электронную решетку, определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами. Такое взаимодействие имеет название металлической связи. Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами, которые не имеют резко выраженного направленного характера. Атомы (ионы) стремятся расположиться на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной.
Под структурой понимают строение металла. Структуру металла делят на макроструктуру и микроструктуру. Макроструктура – это строение металла видимое невооруженным глазом или при не большом увеличении. Макро структуру можно исследовать по методике излома и на специальных макрошлифах. Изучение излома – это методика для определения переднего фронта вязкой трещины. В отличие от аморфного тела, кристаллическое тело имеет зернистый излом. По излому определяют о размере зерна, особенностям выплавки и литья (температура литья, скорость и равномерность охлаждения), термической обработки, а, следовательно, свойствах металла. Крупнозернистый излом отвечает более низким механическим свойствам, чем мелкозернистый. Вид излома используют в качестве критерия при определении склонности стали к хрупкому разрушению, для определения трещин. При изучении макроструктуры на специальных макрошлефах образцы вырезают из крупных заготовок или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами. Действие реактивов основано на их способности окрашивать и растворять различные составляющие сплавов, также выявлять микро пустоты, трещины по измерениям мезогеометрии излома.
При исследовании макрошлефа можно определить расположение зерен в литом металле; дефекты, нарушающие оплошность металла, а это усадочная рыхлость газовые пузыри, трещины.
Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют микро шлиф, т. е. не большой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами. Микроструктуру металлов наблюдают в оптическом металлографическом микроскопе, в котором изучаемый объект рассматривается в отраженном свете в настоящее время применяется прямой метод исследования трещин на просвет. В этом случае исследуют трещины, их образцы, приготовленные из массивных образцов и прозрачных для электронов. Для изучения металлов применяют электронный микроскоп. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны, дает возможность различать детали очень малых размеров.
Выявление микроструктуры при травлении основано на том, что различные фазы протравливаются, не одинаково и поэтому окрашиваются по-разному.
Электронный микроскоп, дающий на один – два порядка большее разрешение, чем оптический позволяет изучить тонкую структуру металла. Один из методов электронной микроскопии это есть наблюдение диффектов кристаллической структуры. Различают косвенные и прямые методы исследования структуры. Косвенные методы основаны на специальной технике приготовления тонких слепков – пленок (реплик), отображающих рельеф травленого шлифа. Исследуя полученную реплику, можно наблюдать детали структуры, минимальный размер которых равен 2 -5 нм.
Прямые методы позволяют исследовать тонкие металлические фольги толщиной до 300 нм. Этот метод дает возможность наблюдать различные не совершенства кристаллик строения: дислокации, дефекты скопления.
А электронном микроскопе изучается не сам метал, а лаковый или кварцевый слепок, полученный с поверхности протравленного шлифа и воспроизводящий детали его рельефа. Электронная микрофрактография изучает с помощью электронного микроскопа вязкие трещины, изломы в стали.
Микроанализ позволяет установить величину, форму и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие изменения внутреннего строения металлов.
Металл, испытывающий в работе многократные переменные нагрузки разрушается. Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называют усталостью металла, а его свойства сопротивляться разрушению от усталости называют приделом выносливости. В результате усталостного разрушения возникает характерный излом, состоящий из двух зон. Первая зона имеет гладкую притертую поверхность, ее называют зоной усталости, ее образование происходит постепенно. Наиболее слабом участке образуется трещина. Вторая зона у хрупких металлов имеет грубо кристаллическое, а у вязких волокнистое строение. Вязкая трещина возникает на поверхности в первой зоне. В этой зоне сосредоточены максимальные напряжения и разрушения происходят по поверхности действия наибольших растягивающих напряжений. Исследования показали, что если металл выдерживает определенное число циклов без разрушения, то он выдержит такое же напряжение и при значительно большем числе нагрузок. Придел выносливости определяют на вращающемся образце, с приложением изгибающей нагрузки. Испытывают не менее шести образцов.
Многие детали современных машин работают в условиях высоких температур. Повышение температуры влияет на механические свойства, понижают модуль упругости, приделы прочности. Механические свойства при высоких температурах зависят от скорости приложения нагрузки. При высоких температурах и постоянно действующей нагрузки наблюдается нарастание пластической деформации при напряжениях, меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию.
Пластическая или достаточная деформация – это деформация, которая остается после прекращения действия сил вызвавших ее. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием напряжений происходит необратимое перемещение атомов. После снятия напряжений в теле наблюдается остаточное изменение формы и размеров образца, при чем оплошность тела или образца не нарушается. При небольшой величине напряжений атомы смещаются не значительно, после снятия напряжений они возвращаются в исходное положение. При увеличении напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, то есть происходит пластическая деформация. В результате развития пластической деформации может произойти разрушение путем сдвига.
В кристаллической решетке сдвиг происходит по плоскостям. Наиболее легкий сдвиг по определенным плоскостям и направлениям объясняется тем, что при этом величина перемещения атомов из одного устойчивого равновесного положения в узле решетки в другое такое же положение будет минимальной. Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность металла. По современным представлениям пластическая деформация происходит под действием напряжений в результате перемещения дислокации.
Разрушение металла при высоких температурах – это деформация и разрушение по границам зерен. Этот метод объясняет, что по границам зерен, содержащих большое количество дефектов (вакансий, дислокаций, трещин), легко протекают диффузионные процессы. Когда напряжение отсутствует, диффузионные перемещения пограничных атомов не имеют направленного характера. При наличии даже не больших напряжений передвижение атомов на границах зерен способствует ползучести металла и приводит к остаточной дифформации вследствие перемещения одного зерна относительно другого вдоль поверхности их раздела. В результате испытаний определяется наибольшее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенное время на превышает заданной величины. Один из методов для устранения трещин – специальные установки, в которых образец помещается в электропечь и при постоянной температуре подвергается длительному действию постоянно растягивающей силы. В процессе испытания фиксируется деформация образца.
К основным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали относятся трещины – внутренние или наружные, деформации. Трещины возникают при закалке в тех случаях, когда внутренние растягивающие напряжение, возникающие в результате мартенситного превращения, превышают сопротивление, стали разрушение. Трещины образуются при низких температурах. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением стали содержанием углерода, повышением температуры закалки и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения.
Другой причиной образования трещин является наличие в изделии концентраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местный вырезки, углубления).
Трещины – не исправимый дефект. Для предупреждения их образования существует методика. При конструировании изделий надо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от толстых сечений к тонким. Закалка деталей должна производится с более низких температур для деталей, прокаливающихся полностью; а медленное охлаждение в мартенситном интервале температур достигается ступенчатой закалкой. Должна производится изотермическая закалка сразу же после закалки деталей.
При достаточно высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением. Разрушение состоит из двух стадий: заграждение трещины и ее распространение через все сечения образца (изделия).
Возникновение микро трещины чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы суп зерен, зерен всевозможные включения), что приводит концентрации напряжений достаточных для образования микро трещины.
