Свойства металлов и сплавов

свойства  металлов и сплавов

Методы  исследования свойств  металлов и сплавов

Металлы, особенности атомно-кристаллического строения

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю  человечества: и в археологических  находках металлических изделий (кованые  медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании  металлов и сплавов в современной  технике.

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно  отличающих их от других материалов и  делающих во многих случаях незаменимыми.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

• «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
• пластичность;
• высокая теплопроводность;
• высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой  вещество, состоящее из положительных  ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т. е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного  газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические  вещества, то есть укладка атомов в  них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как  по различным направлениям, так и  по различным плоскостям. Этот порядок  определяется понятием кристаллическая  решетка.

Другими словами, кристаллическая решетка это  воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются  частицы, образующие твердое тело.

Основными типами кристаллических решеток  являются:

1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) , атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, )
2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) , атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au, )
3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

• простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

• плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости(цинк).

Понятие об изотропии и  анизотропи

Свойства  тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами  в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.

В кристаллических  телах атомы правильно располагаются  в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между  ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией.

Магнитные свойства

Некоторые металлы намагничиваются под  действием магнитного поля. После  удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление  впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам  относятся железо, кобальт, никель и  некоторые другие металлы.

При нагреве  ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определенной температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – ). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

Металлы и  сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое  строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы  в пространстве. Каждое зерно имеет  свою ориентировку кристаллической  решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления  анизотропии не наблюдается.

Методы  исследования металлов и сплавов: структурные  и физические

Металлы и  сплавы обладают разнообразными свойствами. Используя один метод исследования металлов, невозможно получить информацию о всех свойствах. Используют несколько методов анализа.

Определение химического состава.

Используются  методы количественного анализа.

1. Если не  требуется большой точности, то  используют спектральный анализ.

Спектральный  анализ основан на разложении и исследовании спектра электрической дуги или  искры, искусственно возбуждаемой между  медным электродом и исследуемым  металлом.

Зажигается  дуга, луч света через призмы попадает в окуляр для анализа спектра. Цвет и концентрация линий спектра  позволяют определить содержание химических элементов.

Используются  стационарные и переносные стилоскопы.

2. Более  точные сведения о составе  дает рентгеноспектральный анализ. 

Проводится  на микроанализаторах. Позволяет определить состав фаз сплава, характеристики диффузионной подвижности атомов.

Изучение  структуры

Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.

1. Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.

Осуществляется  после предварительной подготовки исследуемой поверхности (шлифование и травление специальными реактивами).

Позволяет выявить и определить дефекты, возникшие  на различных этапах производства литых, кованных, штампованных и катанных заготовок, а также причины разрушения деталей.

Устанавливают: вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен и  дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле.

2. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.

Образцы –  микрошлифы с блестящей полированной поверхностью, так как структура  рассматривается в отраженном свете. Наблюдаются микротрещины и неметаллические  включения.

Для выявления  микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава  сплава. Различные фазы протравливаются  неодинаково и окрашиваются по разному. Можно выявить форму, размеры и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.

Кроме световых микроскопов используют электронные  микроскопы с большой разрешающей  способностью.

Изображение формируется при помощи потока быстро летящих электронов. Электронные  лучи с длиной волны (0,04…0,12 ) ·10-8 см дают возможность различать детали объекта, по своим размерам соответствующие межатомным расстояниям.

Просвечивающие  микроскопы. Поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Различают косвенные и прямые методы исследования.

При косвенном  методе изучают не сам объект, а  его отпечаток – кварцевый  или угольный слепок (реплику), отображающую рельеф микрошлифа, для предупреждения вторичного излучения, искажающего  картину.

При прямом методе изучают тонкие металлические  фольги, толщиной до 300 нм, на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла.

Растровые микроскопы. Изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже, чем у просвечивающих микроскопов.

3. Для изучения  атомно-кристаллического строения  твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций. Физические методы исследования

1. Термический анализ основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Данный метод позволяет определить критические точки.

2. Дилатометрический метод. При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергии колебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы.

Метод позволяет  определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования  фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.

3 . Магнитный анализ. Используется для исследования процессов, связанных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.

Понятие о сплавах и  методах их получения

Под сплавом  понимают вещество, полученное сплавлением  двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекание, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами. Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

Основные  понятия в теории сплавов.

Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.

В металловедении системами являются металлы и  металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

Строение  металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти  все металлы в жидком состоянии  растворяются друг в друге в любых  соотношениях. При образовании сплавов  в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов.

В зависимости  от характера взаимодействия компонентов  различают сплавы:

1. механические смеси;
2. химические соединения;
3. твердые растворы.

Сплавы  механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.