Строение и свойства металлов

Кристаллизация металлов и сплавов
Технически чистые металлы характеризуются низким пределом прочности, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы. Сплавы на основе железа называют черными, к ним относят стали и чугуны; на основе алюминия и магния — легкими цветными; на основе меди, свинца, олова — тяжелыми цветными; на основе цветных тугоплавких металлов титана, молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др. — тугоплавкими.

Кристаллическое строение металлов
Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле образуют пространственную кристаллическую решетку. Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, образуют кристаллографическую плоскость. Многократное повторение расположенных параллельно кристаллографических плоскостей воспроизводит пространственную кристаллическую решетку. На рис. 1.1, а—в показаны основные типы кристаллических решеток.
Расстояния между атомами называются параметрами решеток и измеряются в ангстремах (А = 108 см). С повышением температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии при различных температурных интервалах приобретают различную кристаллическую решетку, что всегда приводит к изменению их физико-химических свойств.

Виды кристаллических решеток
Рис. 1.1. Кристаллическая решетка:
а — объемно-центрированного куба (о. ц. к.);
б — гранецентрированного куба (г. ц. к.);
в — гексагональная плотно упакованная

Кристаллическое строение сплавов
Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух элементов или более. Элементами сплава могут быть металлы и металлоиды. Эти элементы называются компонентами сплава. Кристаллическое строение сплава более сложное, чем чистого металла, и зависит от взаимодействия его компонентов при кристаллизации. Компоненты в твердом сплаве могут образовы­вать механическую смесь, химическое соединение и твердый раствор.

Структура твердых растворов
Твердые растворы — компоненты сплава, которые взаимно растворя­ются друг в друге и при этом образуют общую кристаллическую решетку. Компоненты сплава могут входить в кристаллическую решетку в интервалах концентраций. Различают два основных вида твердых растворов: замещения и внедрения (рис. 1.2, а, б).

Структура твердых растворов (продолжение)
Рис. 1.2. Виды твердых растворов:
а — замещения; б — внедрения;
А — атомы компонента растворителя; Б — атомы растворенного компонента

Кристаллизация сплавов
Процесс перехода из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется первичной кристаллизацией.
Кристаллическое строение сплава называется его структурой. Свойства сплавов зависят от образующейся в процессе кристаллизации структуры. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей — центров кристаллизации. Структура сплава зависит от формы, расположения кристаллических решеток в пространстве и от скорости кристаллизации.
Центрами кристаллизации могут быть группы элементарных кристаллических решеток, неметаллические включения и тугоплавкие примеси.

Свойства металлов и сплавов
Механические свойства
Основными из них являются прочность, пластичность, твердость и вязкость.
Прочность – способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок.
Пластичность – способность материала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела (индентора).
Вязкость – способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам и определяется как отношение затраченной на излом образца работы к площади его поперечного сечения в месте разреза.

Физические свойства
К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, коэффициенты линейного и объемного расширения, электропроводность и теплопроводность. Физические свойства сплавов обусловливаются их составом и структурой. Состав металлов и сплавов определяют химическим, спектральным и фазовым анализами; структуру металла и сплава — рентгеноструктурными и магнитноструктурными анализами, металлографией и магнитной металлографией; электрические свойства сплавов — их электросопротивлением.

Химические свойства
К химическим свойствам относятся химическая активность, способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами; антикоррозионные свойства. Для определения химических свойств металлы и сплавы испытывают на общую коррозию в различных средах, межкристаллитную коррозию и на коррозионное растрескивание.

Технологические свойства
Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки и определяют по его технологическим свойствам.
Технологические свойства металлов и сплавов характеризуются литейными свойствами, ковкостью, свариваемостью и обрабатываемостью режущим инструментом.

Эксплуатационные, или служебные свойства.
К этим свойствам относятся хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность, способность прирабатываться к другому материалу. Эти свойства определяют в зависимости от условий работы машины или конструкции специальными испытаниями.