Зв'язок властивостей з будовою металевих матеріалів

Підстроєному металевих матеріалів розуміють:

• електронна будова:

• характер взаємодії частинок (сили зв'язку);

• просторове розташування часток;

• форму і розмір кристалів;

• хімічний склад матеріалу.

У Залежності від розмірів структурних складових разлічают макроструктуру, мікроструктуру і тонку кристалічну («внутрішню») структуру. Макроструктура - будова матеріалу, спостережуване неозброєним оком або при невеликих збільшеннях (до 100 разів); вивчаючи макроструктуру, можна встановити вид зламу, пори, порожнечі, непровари в зварному шві, розташування волокон (витягнутих зерен) в деформованому металі, розташування зерен в литому металі, ликвацию.

Мікроструктура - будова матеріалу, спостережуване за допомогою оптичного або електронного мікроскопа (відповідно при збільшеннях до 1000 разів і 200 000 разів); на спеціально приготованому для дослідження мікрошліфа можна встановити форму і розміри зерен, взаємне розташування структурних складових.

Тонку структуру (атомно-кристалічна будова) вивчають за допомогою рентгеноструктурного аналізу, заснованого на дифракції рентгенівських променів рядами атомів у кристалічному тілі.

Перші три параметри будови матеріалу - електронна будова, характер взаємодії і просторове розташування частинок - отримали назву тонкого кристалічної будови.

Електронна будова. Вплив на властивості. Щільність заповнення електронами валентних зон визначає теплові та електричні властивості. Наявність незаповнених підрівнів у валентній зоні забезпечує хорошу електропровідність і теплопровідність.

Магнітні властивості залежать також від заповнення електронами енергетичних рівнів. Рух електричного заряду (обертання електрона навколо власної осі, зване спіном) породжує магнітне поле. Якщо рівні неповністю зайняті електронами, то на них є орбіти електронів, зайняті одним електроном, а не парою з протилежно спрямованими спинами. При таких незаповнених подуровнях власні моменти електрони не скомпенсовані, в результаті кристал стає парамагнетиків або навіть феромагнетиком. При заповнених енергетичних зонах кристал буде діамагнетиком.

Вплив щільності заповнення електронами енергетичних рівнів на фізичні властивості матеріалів показано на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Вплив щільності заповнення електронами енергетичних рівнів на фізичні властивості матеріалів (λ -теплопроводность, р - питомий електроопір, ϒ - питома електропровідність, μ - магнітна проникність)

Сили зв'язку. Вплив на властивості. Енергія зв'язку іонного кристала високою і тому кристали з таким зв'язком мають високу температуру плавлення, модуль пружності Е, низький коефіцієнт лінійного розширення.

Висока енергія зв'язку в ковалентних кристалах обумовлює високу температуру плавлення (алмаз - 5000 ° С), високу твердість (нітриди, карбіди) і низьку пластичність.

Наявність «електронного газу» у кристалів з металевим зв'язком і незайнятих енергетичних рівнів валентних електронів в металевих кристалах обумовлює їх високу електро-, теплопровідність і пластичність.

Енергія металевого зв'язку нижче енергії ковалентного зв'язку і тому матеріали з цим типом зв'язку мають більш низькі температури плавлення, модулі пружності, але бо'лиліе температурні коефіцієнти лінійного розширення і електроопору.

Молекулярні зв'язки характеризуються невисокою енергією. Тому у матеріалів з таким типом зв'язку низькі температури плавлення і високі коефіцієнти лінійного розширення. Типи і енергія зв'язку матеріалів наведено в табл. 2.1.

Таблиця2.1.

Типи і енергія зв'язку матеріалів

Схема впливу енергії зв'язку на властивості матеріалів показана на рис. 2.19.

Просторове розташування частинок. Вплив на властивості. Метал з ідеальною кристалічною решіткою має теоретичну міцність. Під теоретичної міцністю розуміють опір деформації і руйнуванню, яке повинні були б мати матеріали згідно з розрахунками, враховує сили міжатомної взаємодії і припущення, що два ряди атомів одночасно зміщуються відносно один одного під дією напруги зсуву, тобто має місце одночасний жорсткий зрушення чи одночасний розрив зв'язків між усіма атомами двох площин. Отримані в результаті таких розрахунків значення теоретичної міцності виявилися в 100-1000 разів більше технічної міцності реальних металів. Це пов'язано з наявністю дислокацій та інших дефектів кристалічної будови реального металу.

Схема залежності міцності металу від щільності дефектів кристалічної решітки показана на рис. 2.20.

Рис. 2.19. Вплив сил зв'язку на властивості матеріалів:

1-температура плавлення; 2 - межа міцності; 3 - відносне подовження

Рис. 2.20. Схема залежності міцності від щільності дислокацій:

1 - теоретична міцність;

2 - міцність «вусів» (монокристалів);

3 - реальна міцність металу;

4, 5, 6 - міцність металу після різних зміцнюючих обробок

Як випливає з рис. 2.20, збільшити міцність реальних металів можна двома шляхами - знижуючи щільність дефектів кристалічної решітки і підвищуючи її. Кристали, що практично не містять дефектів, - це монокристали довжиною 2-10 мм і товщиною 0,5-2,0 мкм, що отримали назву «вусів». Вуса мають міцність, близьку до теоретичної. Але збільшення розмірів «вусів» веде до різкого зниження міцності, що обмежує їх використання.

Інший шлях підвищення міцності - це збільшення плотності дефектів. При збільшенні щільності дефектів понад 106 см-2 (точка 3 рис. 2.20) йде зміцнення металу внаслідок взаємодії дислокацій і гальмування їх руху. Підвищення щільності дислокацій (точки 4, 5, б рис. 2.20) досягається легуванням, термічною обробкою, термомеханічної обробкою та іншими способами.

Пластичність (8, Т) і в'язкість (ксі), навпаки, знижуються при підвищенні щільності дислокацій.

Форма і розмір кристалів. Вплив на властивості. Формуються кристали при переході матеріалу з рідкого у твердий стан (процес кристалізації), а також у процесі перетворень у твердому стані (фазової перекристалізації). При первинній кристалізації розмір і форма зерен залежать від наступних факторів:

• розташування у формі (у центрі або близько стінок);

• кількості центрів кристалізації;

• швидкості охолодження.

Схеми мікроструктур, отриманих при різних умовах затвердіння (первинна кристалізація), показані на рис. 2.21.

При звичайних умовах затвердіння у злитку стали, як виявив ще Д.К. Чернов, є три зони кристалів (див. Рис. 2.21, а): I- дрібних біля поверхні, II- стовпчастих, III - великих, досить рівноосних (у середині зливка). Дрібнокристалічна зона утворюється в результаті дуже швидкого охолодження рідкого металу при зіткненні з холодною поверхнею форми. Потім завдяки сталому спрямованому відведенню тепла, перпендикулярному стінці форми, ростуть стовпчасті кристали. У центрі злитка йде повільне охолодження внаслідок високої температури навколишнього застигаючого металу. У зоні стовпчастих кристалів метал більш щільний, в ньому менше газових бульбашок, але місця стику стовпчастих кристалів мають малу міцність (зони слабини). Особливо чітко видно ці зони стику при транскристаллитного структурі злитка (рис. 2.21, б). Таку структуру можуть мати злитки дуже чистих металів. Транскристаллитного структура характеризується найбільшою щільністю.

При спеціальних умовах кристалізації (продування рідкого металу інертними газами, вібрація, введення елементів, службовців центрами кристалізації (модифікування), отримують дрібні рівноосні зерна по перетину злитка (рис. 2.21, в).

Рис. 2.21. Схеми мікроструктур, отриманих при різних умовах затвердіння:

а - звичайні умови; б - перегрів перед розливанням і прискорене охолодження; в - спеціальні умови кристалізації

Рис. 2.22. Вплив розміру зерна на властивості сталі.

При надвисоких швидкостях охолодження (більше 10 ° С/с) рідини пригнічується ріст кристалів і утворюється аморфна структура. Отримані таким чином матеріали (аморфні сплави або металеві скла) мають в 2-3 рази більший питомий електроопір, високу твердість, міцність, зносостійкість, пластичність і корозійну стійкість. Проте у такий спосіб поки отримують тільки тонкі листи та стрічки (шляхом катапультування краплі на холодну поверхню барабана).

Змінюючи форму і розміри зерен, можна істотно змінювати властивості матеріалу. Залежність властивостей від розміру зерна наведена на рис. 2.22. Як видно з рис. 2.22, чим дрібніше зерно, тим вище міцність (Ϭв, Ϭт, Ϭ_-1), пластичність (ϭ ψ) в'язкість (КСU), нижче порогу холодноламкості T_хр (Т₅₀) і менша схильність до крихкого руйнування (росте тріщиностійкостість К_ІС).

Велике зерно бажано тільки в електротехнічних (трансформаторних) сталях, оскільки із зростанням зерна зростає магнітна проникність μ.

Всі методи обробки, викликають подрібнення зерна аустеніту в стали, підвищують її конструктивну міцність.

Вплив хімічного складу на властивості. Якщо кристали утворені різними хімічними елементами, то змінюється тип зв'язку і характер взаємодії частинок. До матеріалів зі складним хімічним складом відносять сплави. Діаграми стану сплавів, як було показано в розділі2, залежать від того, в які взаємодії вступають утворюють сплав компоненти. Як показав Н.С. Курнаков, властивості сплавів також залежать від того, які фази або які з'єднання утворили компоненти сплаву. Зв'язок діаграм станів з діаграмами склад - властивості показана на рис. 2.23.

Рис. 2.23. Зв'язок діаграм стані (а) з діаграмами склад-властивості

(б, в - механічні та фізичні; г - технологічні властивості):

1.2 - криві зміни потенціалу;

3 - обсяг розсіяних пор;

4 - обсяг усадочних раковин

На рис. 2.23 показані діаграми станів сплавів, елементи яких утворюють: І - тверді розчини, ІІ - тверді розчини і механічні суміші, ІІІ - механічні суміші і хімічні сполуки. При утворенні безперервних твердих розчинів (І) властивості сплавів змінюються по криволінійній залежності, причому багато властивостей (особливо електроопір) можуть істотно відрізнятися від властивостей компонентів. При утворенні обмежених твердих розчинів (II) властивості в інтервалі концентрацій, що відповідають однофазним твердих розчинів (необмежена розчинність компонентів один в одному), змінюються по криволінійному закону, а в двофазної області (області існування механічної суміші - евтектики) - за прямолінійним законом, причому крайні точки на прямій - це властивості гранично насичених твердих розчинів, що утворюють цю механічну суміш. При утворенні хімічної сполуки (ІІІ) на діаграмі склад - властивості є максимум (мінімум) значень властивостей, відповідний хімічній сполуці на діаграмі станів. На рис. 2.23 показана залежність електрохімічного потенціалу від складу сплаву і виду діаграми стану (АЛ. Бочвар). Як видно з рис. 2.23, шляхом додавання металу з великим електрохімічним потенціалом, що дає твердий розчин, можна підвищити корозійну стійкість, у разі утворення хімічної сполуки можливі різні види кривих потенціалу (1 і 2) залежно від потенціалів компонентів.

Усадочна зосереджена раковина характерна для евтектичного сплаву (див. Рис. 2.23). У міру збільшення температурного інтервалу кристалізації зростає кількість пір і обсяг зосередженої усадочною раковини зменшується. При розсіяною пористості можна працювати з малими прибутками, але важко одержати щільний метал.

Представлені на рис. 2.23 діаграми склад-властивості

- Це схеми, що не враховують розмір і форму, взаємне розташування зерен та інші фактори. Насправді вплив хімічного складу на властивості сплавів виражається більш складною залежністю.

Враховуючи вплив на властивості всіх розглянутих факторів, можна зробити наступні висновки:

• зміна фізико-механічних властивостей сплавів залежно від складу визначається типом взаємодії компонентів;

• властивості твердих розчинів плавно змінюються при зміні складу;

• механічні властивості у разі утворення сумішей змінюються по лініях, близьким до прямих, і є середніми між властивостями окремих фаз. Властивості сумішей істотно залежать від їх дисперсності. Так, дрібнодисперсні суміші характеризуються більшою пластичністю, твердістю і міцністю. Евтектичні сплави використовуються для лиття, плавких запобіжників, припоїв, підшипникових сплавів, які повинні складатися з м'яких і твердих складових;

• найкращі для конструкційних матеріалів поєднання міцності і пластичності виходять в твердих розчинах або дисперсних сумішах;

• для інструментальних матеріалів з високими значеннями твердості кращими є матеріали, що мають у складі хімічні сполуки або дисперсні суміші;

• оптимальними з точки зору електричних властивостей для сплавів високого опору є тверді розчини заміщення;

• для провідникових матеріалів з високою електропровідністю найкращим є використання чистих металів;

• для антифрикційних сплавів найбільш підходящі механічні суміші різних за властивостями фаз;

• ливарні властивості сплавів визначаються характером кристалізації, що в істотному ступені визначається різницею температур ліквідусу і солідусу. Чим більше ця різниця, тим більше об'єм усадочною пористості і більше ліквація за складом. Опірність деформації ливарних сплавів, до числа яких відносяться також припої і зварювальні матеріали, крім складу (див. Рис. 2.23) визначається коефіцієнтом термічного стиснення і механічними властивостями сплавів;

• обробці тиском найкраще піддаються однофазні матеріали (чисті компоненти і тверді розчини). У двофазних сплавах може проявлятися холоднокри́хкість і червоноламкість, тобто окри́хчування при кімнатній і підвищеній температурі;

• для обробки різанням з метою отримання поверхні з низькою шорсткістю при одних і тих же енерговитратах краще використовувати багатофазні сплави.

Обробка різанням сплавів з евтектикою визначається природою фаз, але обробка різанням йде легше, ніж у випадку вузьких чистих металів і твердих розчинів. Утвориться поверхню характеризується більш низькою шорсткістю через утворення ламкою стружки.

Всі подальші обробки (термічні, деформаційні та ін.) Приведуть до зміни властивостей металів і сплавів в певних межах, але «фундамент» властивостей закладений його хім. складу і, в значній мірі, - процесом первинної кристалізації і способом отримання матеріалу.

РОЗДІЛ 3 ОСНОВНІ СПОСОБИ ЗМІНИ ВЛАСТИВОСТЕЙ МЕТАЛЕВИХ МАТЕРІАЛІВ

Всі розглянуті вище показники міцності, надійності, довговічності є структурно-чутливими, тому поліпшення цих характеристик можливо шляхом створення оптимальних структур відповідними спрямованими технологічними впливами.

Електронна будова, взаємодія частинок (сили зв'язку) звичайними технологічними впливами ми змінити не можемо і, отже, не може змінити властивості, що залежать від них. Проте враховувати вплив цих структурних факторів на властивості при виборі матеріалу необхідно.

Істотно змінити технологічними впливами властивості матеріалів можна шляхом зміни просторового положення частинок, форми і розмірів кристалів і хімічного складу матеріалу. Найбільше широко застосовувані технологічні впливи, що дозволяють істотно змінити перераховані елементи будови матеріалу:

• зміна хімічного складу (сюди відносяться очищення від домішок, легування, нанесення покриттів гальванічним, термічним, електроіскровим методами, зміна хімічного складу поверхневого шару дифузійними методами поверхневе легування і т.д.);

• зміна умов кристалізації матеріалу;

• пластична деформація;

• термічна обробка.

Поиск по сайту: