Глава 4
Металлы и сплавы. Основные свойства и понятия
Сварщик работает с металлами и их сплавами. Для понимания процессов, происходящих при сварке, необходимо владеть основными понятиями, знать основные свойства металлов и сплавов.
Что такое металлы? Более 200 лет назад великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711–1765) в своем знаменитом труде «Первые основания металлургии или рудных дел», написанном в 1763 году, дал металлам такое определение: «металлы суть ковкие светлые тела». Для того времени краткая формулировка была достаточно верной и точной. Ломоносов назвал шесть основных металлов: золото, серебро, медь, железо, свинец и олово.
Позже Мейер (1897) в своем энциклопедическом словаре дал уже расширенное определение металлам: «элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа».
С развитием науки происходили открытия все новых элементов. Открытые элементы необходимо было классифицировать какими-то другими определениями.
К чему причислять новые элементы?
Выход из тупика нашел знаменитый русский ученый Д. И. Менделеев (1834–1907). Его таблица и периодическая система элементов получили всемирное признание. Одновременно с Д. И. Менделеевым и независимо от него подобную систему разработал немецкий химик Лотар Мейер (1830–1895). Права на открытия принадлежат обоим ученым. Однако Менделеев предсказал по своей таблице свойства еще не открытых элементов и определил их свойства теоретически. Это были элементы галлий и германий. В то время было известно 63 элемента, из них около 50 – металлы.
Дальнейшие исследования свойств металлов с помощью оптического микроскопа (увеличение до 1500 раз), а затем при помощи электронного микроскопа (увеличение 20–100 000 крат) позволили заглянуть внутрь металла.
Русский ученый П. П. Аносов в 1831 году впервые в мировой практике применил оптический микроскоп для исследования микроструктуры металлов, став основоположником изучения металлов методом микро– и макроанализа. Кроме того, он первым в мировой практике обратил внимание, что свойства стали зависят не только от ее химического состава, но и от структуры.
Исследование при помощи оптики показало строение металлов как кристаллических веществ. Электронная металлография позволила наблюдать дефекты в кристаллах в виде различных дислокаций-смещений, перестановок.
Итак, что нам сегодня известно о металлах?
Металлы обладают различными свойствами. Общими свойствами металлов является характер зависимости электропроводности от температуры. Свойства металлов объясняются их строением: распределением и характером движения электронов в атомах; расположением атомов, ионов и молекул в пространстве; размерами, формой и характером кристаллических образований.
Электронное строение металлов определяется периодической системой Д. И. Менделеева. В полном соответствии со сходством в электронном строении элементы одной группы имеют и сходные свойства.
К таким периодически изменяющимся свойствам металлов относятся: твердость, абсолютная температура плавления, средний коэффициент теплового расширения, атомный объем и др.
В природе металлы, за исключением золота, серебра, платины и меди, существуют в составе химических соединений – окислов, сульфатов и прочих, образующих руды. Из руды различными металлургическими способами извлекают металлы: дроблением руды, обогащением и сепарацией и далее выплавкой соответственно чугуна или слитков цветных металлов. Чугун используется собственно и как чугун, как материал для выплавки сталей.
Стальные слитки и слитки цветных металлов в дальнейшем перерабатываются для сортового проката в виде рельсов, балок, прутков, полос, листов, уголков, швеллеров, проволоки и т. п. Соответственно, выпуском чугуна и сталей занимается черная металлургия, а производством цветных металлов – цветная металлургия.
Технически чистые металлы характеризуются низкой прочностью и высокой пластичностью, поэтому в технике применяют различные металлические сплавы. Сплав – вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.
Элементами сплавов могут быть металлы и неметаллы. Эти элементы называются компонентами сплава. В сплавах, кроме основных элементов, могут содержаться примеси. Примеси могут быть полезными, если они улучшают свойства сплава, или вредными, если они ухудшают свойства сплава. Примеси можно выделить как специальные, которые ввели в сплав для придания ему требуемых свойств, так и случайные, попавшие в сплав случайно при его приготовлении.
Сплавы делятся по следующим признакам:
• черные сплавы на основе железа – это стали и чугуны;
• легкие цветные сплавы с малой плотностью на основе алюминия, магния, титана, бериллия;
• тяжелые цветные сплавы с высокой плотностью на основе меди, свинца, олова и др.;
• легкоплавкие цветные сплавы на основе цинка, кадмия, олова, и др.;
• тугоплавкие цветные сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и пр.
Кристаллическое строение металлов
Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки. Расстояние между атомами называют параметрами кристаллической решетки и измеряют в нанометрах. Типы кристаллических решеток изображены на рисунке 37.
Свойства металлов таковы, что при повышении температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии при различных температурах изменяют строение своих кристаллических решеток, что всегда приводит к изменению физико-химических свойств металлов.
Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название аллотропии, или полиморфизма. Температура при этих фазовых превращениях называется критической, а перестройка кристаллических форм – полиморфными превращениями.
Основоположником изучения термических превращений в сталях (сплавах «железо-углерод») был русский ученый Д. К. Чернов. Им было открыто, что при нагреве твердой стали до определенных температур, зависящих от ее состава, в ней происходят внутренние превращения, приводящие к изменению свойств. Открытие Д. К. Чернова, получившее всемирное признание в 1868 году, показало связь между составом, строением и свойствами стали. Работы Чернова легли в основу учения о термообработке стали. Им были открыты дендритные кристаллы, критические точки термических превращений и теория литья стали и сплавов, изучены процессы кристаллизации слитков металла.
Рис. 37.
Кристаллические решетки металлов:
1 – объемно-центрированного куба (ОЦК); 2 – гранецентрированного куба (ГЦК);
3 – гексагональная плотно упакованная решетка (ГПР)
Кристаллическое строение и кристаллизация сплавов
Строение сплавов более сложное, чем строение чистого металла, и зависит от взаимодействия компонентов при кристаллизации.
Компоненты сплава при кристаллизации могут образовывать:
• твердые растворы, когда элементы сплава взаимно растворяются один в другом;
• механическую смесь – при полной взаимной нерастворимости, когда сплав состоит из смеси кристаллов составляющих ее компонентов;
• химическое соединение, при котором компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, образуя новую кристаллическую решетку.
Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется первичной кристаллизацией. Свойства металлических сплавов зависят от образующейся в процессе кристаллизации структуры. Под структурой понимают наблюдаемое кристаллическое строение сплава. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей – центров кристаллизации.
Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов в прямой зависимости, т. е. чем выше скорость роста кристаллов и больше число образующихся зародышей, тем быстрее протекает процесс кристаллизации сплава. Внутренняя структура сплава зависит от формы ориентировки кристаллических решеток в пространстве и скорости кристаллизации.
Конец ознакомительного фрагмента.