1. Строение металлов

М еталлы за исключением особых случаев их обработки имеют кристаллическое строение, которое характеризуется закономерным и периодичным расположением атомов в пространстве.

В общем случае строение кристалла (рис. 1.1) можно представить в виде пространственной трехмерной сетки, в узлах которой расположены атомы.

Параллелограмм АБВГДЖЗ – элементарная ячейка кристаллической решетки, а структура кристалла образуется огромным количеством таких ячеек.

Б ольшинство металлов, применяемых в технике, имеет кристаллические решетки следующих типов (рис. 1.2):

– кубическая объемно-центрированная (хром, вольфрам, молибден и др.).

– кубическая гранецентрированная (алюминий, медь, свинец, никель и др.).

– гексагональная плотноупакованная (магний, цинк, кобальт и др.).

Рис. 1.2. Кристаллические решетки металлов

Для определения плоскостей, которые можно провести в элементарных ячейках пространственных решеток, принята система индикации.

Для решеток кубического типа – это три числа в круглых скобках, для гексагональных решеток – четыре числа (рис. 1.3).

В заимное расположение атомов на различных, кристаллографических плоскостях различно, а также различна и величина межатомных расстояний, от чего зависит силовое взаимодействие между атомами.

П

Рис. 1.3. Схема индикации плоскостей кристаллической

Решетки

о этому свойства кристаллов в различных плоскостях неодинаковы. Различие свойств по разным направлениям называется анизотропией. Можно найти в природе или искусственно вырастить монокристалл, форма которого характеризуется плоскостями и гранями типичными для кристаллической решетки данного вещества.

Сложенное кристаллическое строение имеют слитки, полученные при разливке жидкого металла и медленном охлаждении. На (рис. 1.4) представлен продольный шлиф 500 кг слитка из углеродистой стали. Хорошо видна структурная неоднородность слитка по всему сечению, что вызвано различными условиями кристаллизации металла по мере его остывания.

Рис. 1.4 Структура слитка из среднеуглеродистой стали

Рис. 1.5. Структура слитка после проковки

Осевая зона состоит из крупных равноосных зерен, здесь же находятся V-образные зоны ликвации – зоны, вызванные различной растворимостью элементов в стали. Имеется зона мелких кристаллов – по наружной поверхности слитка, далее зона столбчатых дендритов, за ними следуют крупные равноосные разориентированные дендриты. Дендриты – это монокристаллы, процесс формообразования которых определялся в первую очередь наличием температурного градиента на поверхности затвердевания. Черные области в осевой части слитка – микрораковины, вызванные ликвацией.

Добиться однородной структуры по всей зоне слитка, раздробить дендритную сетку, заварить раковины, измельчить крупные зерна можно только подвергнув слиток проковке со значительной степенью обжатия (рис. 1.5).

Металлы и сплавы, полученные такими способами, имеют поликристаллическую структуру, то есть конгломерат кристаллов (зерен), форма, размеры и направление кристаллографических осей которых неупорядочены. Таким образом, технический металл представляет собой поликристалл. Вследствие разнообразной, беспорядочной ориентировки зерен поликристалл имеет одинаковые свойства в различных направлениях, то есть изотропен.

2. ПОНЯТИЯ ОБ УПРУГОЙ И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Если к металлу приложить внешние силы, то металл начнет деформироваться. При этом необходимо различать упругую и пластическую деформацию.

Если после снятия внешних сил форма и размеры не восстанавливаются, то деформация пластическая.

Сущность упругой деформации в том, что между атомами действуют взаимно уравновешенные электростатические силы притягивания и отталкивания и в свободном состоянии тела эти силы уравновешены. Наложение внешней силы смещает атомы до того положения, которое обеспечивает противодействие внешней нагрузке. Величина отклонения не превышает расстояния между соседними атомами, но изменение межатомных расстояний ведет к изменению объема, который после снятия нагрузки восстанавливается. Упругое изменение объема обычно характеризуется коэффициентом Пуассона (рис. 2.1).

, где ;

Для металлов μ = 0,25 ÷ 0,45

Пластическая деформация осуществляется за счет относительного смешения атомов на расстояния, значительно превышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке. При пластической деформации общая деформация, вызванная приложенными к телу силами, содержит как пластическую составляющую, так и упругую, исчезающую после снятия деформирующих сил. Пластическая деформация не только изменяет форму тела, но и оказывает влияние на физико-механические характеристики вещества.

Реологическое поведение вещества зависит от его химического состава и структуры. Большую роль при этом играют фазовое состояние и степень нарушения равновесного состояния вещества. Эти вопросы выходят из компетенции как механического, так и физического направления науки о пластичности. Однако без анализа реологического поведения вещества, основанного на рассмотрении указанных факторов, нельзя решить важнейшие задачи в области пластичности. При изучении упругой деформации мы условно принимаем среду однородной и изотропной, а главное не изменяющей своих свойств в процессе деформации. Эти допущения неприемлемы при пластической деформации, так как основной особенностью пластической деформации является непрерывное изменение физических и физико-химических свойств деформирующего вещества. Вот почему пластическая деформация стала объектом изучения не только механиков и физиков, но и химиков. Начало физико-химического направления науки о пластичности было положено Н.С. Курнаковым и его школой.

В своем замечательном труде «Введение в физико-химический анализ» Курнаков [1] пишет: «Основная задача физико-химического анализа – изменение свойств при последовательном изменении состава равновесной системы, результатом чего является графическое построение диаграммы «состав-свойство».

К методам физико-химического анализа Курнаков относит: 1) термические методы, 2) наблюдение за временем превращений, 3)электрический анализ, 4) оптический анализ, 5) металлографию и рентгенографию, 7) волюметрический анализ, 8) анализ молекулярного сцепления, 9) магнитный анализ, 10) тензометрический анализ.

Метод молекулярного сцепления, согласно Курнакову, включает изучение: внутреннего трения, твердости, давления истечения, модуля упругих деформаций, времени релаксации и поверхностного натяжения.

Этот метод широко применен при проведении научных исследований в области физико-химического анализа и в настоящее время уже претендует на некоторую самостоятельность в общем, комплексе химических дисциплин.

Объясняется это следующим. Свойства вещества, обусловленные силами молекулярного сцепления, называются механическими свойствами. Построение диаграммы «механические свойства – состав» имеет исключительно важное значение для выяснения закономерностей, управляющих свойствами аморфного и кристаллического вещества, и для более полного понимания явлений, происходящих в аморфном и кристаллическом веществе.

Модели упругости и коэффициент Пуассона описывают поведение упругих тел, приведенных в пластическое состояние. Последнее возникает в аморфном и кристаллическом веществе при определенных условиях и связано с изменением его свойств и структуры.

Механические свойства, описывающие пластическое состояние вещества, дают представление о его прочности, способности к необратимому изменению формы и о характере изменения свойств в результате пластической деформации. Изучение механических свойств вещества представляет не только научный, но и большой практический интерес. Химический же состав вещества оказывает решающее влияние, как на структуру вещества, так и на механические свойств и характер их изменения в процессе пластической деформации. Выясняя влияние химического состава, мы подходим к решению одного из ведущих вопросов современной химии и физики, который заключается выяснении закономерностей, управляющих механическими свойствами вещества.