Свойства металлов

1вопрос.

Свойства металлов во многом зависят от их кристаллического строения, размера и формы зерен  и неметаллических включений. Так, кристаллы, имеющие гранецентрированную  кристаллическую решетку (свинец, алюминий, медь), обладают наибольшей пластичностью, а деформированный мелкозернистый металл прочнее литого, имеющего крупнозернистое строение. 
Деформация. При обработке металлов давлением в заготовке под действием внешних сил возникают напряжения. Если они невелики, происходит упругая деформация, при которой атомы металла смещаются с положений устойчивого равновесия (рис. 2.2, а) на очень малые расстояния, не превышающие межатомные (рис. 2.2, б) После снятия нагрузки атомы вследствие межатомного воздействия возвращаются в исходные положения устойчивого равновесия. Форма тела полностью восстанавливается и никаких остаточных изменений в металле не происходит. Значения упругих деформаций очень малы и составляют тысячные доли процента.

С увеличением внешней  нагрузки напряжения в теле растут, что ведет к смещению атомов с  положений устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные (рис. 2.2, в). После снятия нагрузки атомы занимают новые места устойчивого равновесия, поэтому форма тела не восстанавливается (рис. 2.2, г). Такое необратимое изменение формы тела называется пластической деформацией. Способность металла подвергаться пластической деформации называется пластичностью. Количественно пластичность характеризуется значением максимальной остаточной деформации, которую можно сообщить металлу до его разрушения. Пластичность, как будет показано ниже, не является постоянной характеристикой металла, так как в значительной степени зависит от условий деформирования. 
Общая пластическая деформация поликристаллического металла складывается из деформаций двух видов - внутрикристаллитной и межкристаллитной. 
Рассмотрим внутрикристаллитную деформацию. Пластическая деформация в отдельно взятом зерне происходит в основном за счет скольжения одних тонких атомных слоев кристаллита относительно других (см. рис. 2.2, в, г), причем их относительное смешение составляет примерно 100 ... 200 А (по-видимому, ангстрем, 10-8 см). Смещения совершаются по особым кристаллографическим плоскостям (а - а), наиболее плотно упакованным атомами и называемым плоскостями скольжения.

Скольжение атомных слоев  происходит в первую очередь по тем  плоскостям, направление которых составляет 45 ? по отношению к направлению действия усилия сжатия Р (см. рис. 2.3, а), так как по этим направлениям действуют максимальные касательные напряжения Тmax. Так, в образце, показанном на рис. 2.3, а, скольжение будет происходить прежде всего в зернах 1 . . . 5 плоскости скольжения, которых расположены под углом 45 ? к действию усилия Р.

В результате пластической деформации (рис. 2.3, б) зерна вытягиваются в направлении наибольшего течения металла и приобретают вытянутую форму (рис. 2.3, в).

Такая структура называется строчечной или п о л о с ч а т о и. При специальной обработке поверхности деформируемого металла полосы скольжения можно наблюдать визуально в виде мелких рисок определенного направления. 

При деформировании металла  ударными нагрузками его пластическая деформация может развиваться также  за счет двойникования. Процесс двойникования (рис. 2.4) в отличие от скольжения состоит в стройном смещении группы атомов относительно особой плоскости (а - а) - плоскости двойникования, в результате которого смещающаяся часть кристаллита занимает положение зеркального отражения его недеформированной части. 
В процессе деформирования зерна поворачиваются и перемещаются друг относительно друга - происходит м е ж к р и с т а л л и т н а я д е ф о р м а ц и я (см. рис. 2.3, б). При разворотах у все большего числа зерен плоскости скольжения получают направление под углом 45 к действию силы Р и в них также интенсивно развивается пластическая деформация . Таким образом заготовка пластически деформируется в целом. 
Теоретические расчеты показывают, что для одновременного сдвига одной части кристаллита относительно другой требуются напряжения, в сотни раз превышающие те, которые достаточны для этого на практике. Связано это с тем, что в реальных металлах имеются места ослабленных межатомных связей и большое количество вредных примесей. Поэтому скольжение в зернах происходит не одновременно по всей плоскости скольжения, а последовательно, путем перемещения отдельных групп атомов относительно других, на что требуется значительно меньшие сдвиговые напряжения. Ослабление связей между атомами обусловлено наличием несовершенств в строении реальных кристаллитов, например отсутствием или избытком в узлах решетки дополнительных атомов. Такие несовершенства называют дислокациями. 
В процессе холодной пластической деформации в металле возникают дополнительные дислокации, образуются осколки кристаллитов, которые, затрудняя дальнейшую деформацию, вызывают увеличение прочности и твердости металла, уменьшение пластичности, и изменение его физических и химических свойств. Так, электросопротивление и химическая активность увеличиваются, магнитная проницаемость и теплопроводность уменьшаются. Совокупность изменений механических, физических и химических свойств металла в результате пластической деформации называется н а к л е п о м или упрочнением. 
Кроме того, после холодной пластической деформации кристаллографические плоскости зерен будут иметь одинаковые направления. Такая структура называется структурой деформации; она характеризуется анизотропией (неравенством) механических свойств в различных направлениях.

В процессе пластической деформации одновременно с образованием строчечной структуры и текстуры деформации металл приобретает также волокнистое строение. Оно наблюдается в виде тонких полос, представляющих собой вытянутые в направлении наибольшего течения металла неметаллические включения или зоны металла, содержащие повышенное количество примесей. Если строчечная структура может быть обнаружена только под микроскопом, то волокнистое строение наблюдается невооруженным глазом. Очевидно, что однородный металл, в котором отсутствуют примеси, после деформации не будет иметь волокнистого строения. 
При вполне определенной для каждого металла максимальной пластической деформации в нем возникают микропоры и микротрещины, которые развиваются, растут и приводят к разрушению металла. Таким образом, для каждого металла существует предельно допустимая пластическая деформация, которая характеризует его пластические свойства. Как показывают исследования, последние зависят от условии нагружения (сжатия, растяжения), степени и скорости деформации и др.

На производстве большинство  металлов и сплавов обрабатывают давлением в предварительно нагретом состоянии, поскольку с увеличением температуры пластичность металла увеличивается, а сопротивление деформированию снижается. В зависимости от температуры обработки пластическая деформация может быть холодной, неполной горячей и горячей. 
В отличие от холодной пластической деформации, подробно рассмотренной выше, при неполной горячей пластической деформации происходит частичное восстановление искаженной кристаллической структуры и уменьшение остаточных напряжений в металле. Объясняется это некоторым повышением активности атомов, поскольку рассматриваемая деформация осуществляется при повышенной температуре - примерно при Т = (0,25:0,3) Тпл , где Тпл - температура плавления металла. Следует отметить, что при неполной горячей пластической деформации металл, хоть и в меньшей степени, чем при холодной, но все же несколько упрочняется и приобретает строчечную и волокнистую структуру.

Горячая пластическая деформация характеризуется тем, что в деформируемом  металле протекает процесс р  е кристаллизации - возникновения  и роста новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных Рекристаллизация полностью ликвидирует строчечную структуру и упрочнение металла, деформированного в холодном состоянии. Установлено, что для чистых металлов температура рекристаллизации Трек =0,4 Тпл . 
В отличие от неполной горячей при горячей пластической деформации строчечная структура ликвидируется, а волокнистое строение металла сохраняется, поскольку вытянутые в момент деформирования неметаллические включения рекристаллизации не подвергаются. У горячедеформированного металла механические свойства вдоль волокон выше, чем поперек, поэтому изготовлять поковки следует так, чтобы направление волокон совпадало с направлением максимальных рабочих напряжений, возникающих в детали при ее эксплуатации.