Тема 1.1 Введение. Строение и свойства металлов и сплавов

Раздел 1 Основы металловедения

Материаловедением называется наука о структуре и свойствах материалов.

Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и использованием новых материалов. Совершенст­вование применяемых материалов является необходимым услови­ем успешного развития любой отрасли техники. В полной мере это относится к таким техническим отраслям, как электротехника и ра­диоэлектроника, для которых именно качество материалов стано­вится ключом к разработке сложных инженерных решений и созда­нию новейшей электронной аппаратуры. Применяемые в этих об­ластях металлические и неметаллические материалы обладают особыми физическими свойствами: электрическими, магнитными, свойствами теплового расширения и т.д. Знание свойств материа­лов и объективных закономерностей зависимости этих свойств от физической природы, структуры, состава, технологических и экс­плуатационных факторов позволяет специалисту не только грамот­но выбирать материал при проектировании электротехнических уст­ройств, но и грамотно эксплуатировать их.

Электротехническими являются специальные материалы, из которых изготавливают электрические машины, аппараты, приборы и другие элементы электрооборудования и электроустановок. Основные группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные — диэлектрики.

Проводниковые материалы используются в элект­ротехнических устройствах в качестве проводников элект­рического тока: всевозможные обмотки в машинах, аппара­тах и приборах, контактные узлы, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергий.

Полупроводники занимают по удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектри­ками. Их применяют в выпрямителях, в усилите­лях, в фотодатчиках, в качестве специальных источников тока и т. п.

Магнитные материалы отличаются способностью усили­вать магнитное поле, в которое их помещают, т. е. обла­дают большой магнитной проницаемостью. Они исполь­зуются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и трансформаторах, для экранирования магнит­ного поля, а также в виде постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле.

Электроизоляционные материалы не проводят электрический ток. Ди­электрики служат для изоляции друг от друга различных токопроводящих деталей, находящихся под разными потенциалами, или для создания электрической емкости в конденсаторах.

Диэлектрики бывают газообразными (воздух, водород, элегаз), жидкими (дистиллированная вода, различные масла), твердыми (бумага, керамика, резина и т.д.).

Причинами выхода изоляции из строя являются старение и пробой.

Под старением понимается комплекс процессов в материалах, вызванных различными факторами, под воздействием которых ухудшается их качество. Основные факторы: повышенная температура, повышенное напряжение, климатические факторы, механические воздействия, загрязнение. Процесс старения можно замедлить, а иногда отдалить его начало. Для этого применяют специальные вещества (стабилизаторы и ингибиторы), предотвращающие действие электрического поля и химических реакций. Добавляются в материалы для замедления окисления примеси (антиоксиданты), которые более активны по отношению к кислороду, чем частицы самого материала.

Пробоем называют внезапную потерю электроизоляционной способности электрической изоляции или неконтролируемое повышение электрической проводимости изоляции, которое могут вызывать следующие процессы: ударная ионизация, чрезмерный нагрев, старение.

Противостоять воздействиям длительно без ухудшения свойств может только надежная изоляция. Оценивают свойства изоляции на заводах - изготовителях в результате проведения целого комплекса испытаний. При испытании изоляционных материалов выбирают более жесткие условия, чем в эксплуатации. Установлено два вида испытаний: контрольные и типовые.

Контрольным испытаниям подвергают каждую партию изделий, например, при изготовлении лакотканей принимают один рулон. В контрольные испытания входят: проверка материала визуальным осмотром, определение размеров, пробивного напряжения и т. д.

Типовые испытания наиболее расширены, их проводят не реже одного раза в три месяца или же в том случае, когда изменяется технологический процесс изготовления или применяется другое сырье, а также в случае требования служб надежности завода – изготовителя.

«Кристаллическое строение металлов»

Вещества в твердом состоянии имеют кристаллическое или аморфное строение.

В аморфных веществах (янтаре, смолах, битумах, кварцевом стекле) атомы расположены беспорядочно, при нагревании аморф­ные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние.

Большинство минералов, все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Эти вещества при нагреве остаются в твердом состоянии и переходят в жидкое при определенной тем­пературе.

Рисунок 1 Атомно – кристаллическое строение металлов

Располагаясь в строгом геометрическом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку (рис.1,а), а в пространстве – атомно-кристаллическую решетку (рис.1,б).

Кристаллические решетки состоят из огромного количества ячеек. Типы кристаллических решеток у различных металлов различные. Наиболее часто встречаются: кубическая объемно-центрированная (рис. 1, в), кубическая гранецентрированная (рис. 1, г) и гексагональная плотноупакованная (рис.1, д). На рисунке 1,в приведена ячейка и часть кубической объемно - центрированной пространственной решетки, ограниченная восемью сопредельными элементарными ячейками; узлы, располо­женные по вершинам и в центре каждой ячейки, отмечены кружками.

Элементарная ячейка кубической гранецентрированной решетки (рис.1, г) ограничивается 14 атомами: восемь из них расположены ни вершинам куба, шесть — по его граням.

На рисунке 1, д приведена схема элементарной ячейки гексагональной решетки. Она ограничена 17 атомами, из которых 12 расположены по вершинам шестигранной призмы, два атома — в центре основа­ний и три — внутри призмы.

«Дефекты кристаллических решеток»

Реально структура кристаллов отличается от приведенных иде­альных схем, в них имеются дефекты.

Рисунок 2 Дефекты кристаллических решеток

Точечными, дефектами являются пустые узлы, или вакансии (рис. 2,а) и межузельные атомы (рис. 2,б); число этих дефектов возрастает с повышением температуры. Важнейшими линейными (одномерными) дефектами являются дислокации, представляющие как бы сдвиг части кристаллической решетки (см. линию ММ на рис. 2,в). Поверхностные (двухмерные) дефекты определяются наличием субзерен или блоков 1, 2 внутри кристалла (рис. 2,г), а также различной ориентацией кристаллических реше­ток зерен 3, 4 (рис. 2, д). По границам зерен решетка одного кри­сталла переходит в решетку другого, здесь нарушена симметрия рас­положения атомов. Дефекты кристаллов оказывают существенное влияние на механические, физические, химические и технологические свойства металлов.

Металлы являются анизотропными, так как в отдельно взятом кристалле свойства различны в разных направлениях. Следствием анизотропности кристаллов является спайность, ко­торая выявляется при разрушении кристаллов. В изломах, проходящих через кристалл, имеются правильные микроплоскости, что указывает на смещение частей зерен под влиянием внешних сил пра­вильными рядами и в определенном направлении, а не беспорядочно, как это имеет место у аморфных веществ. Эти микроплоскости назы­ваются плоскостями спайности; по плоскостям спайности силы связи между слоями слабее, чем по другим плоскостям кристалла.

Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях; излом аморфного тела всегда имеет неправиль­ную, искривленную, так называемую раковистую форму.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множе­ства кристаллов, кристаллическая решетка которых по-разному ориентирована, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы по всем направлениям; это называют квазиизотропностью.

Аллотропия металлов (или полиморфизм)— свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагрева и охлаждения — присуща многим металлам (железу, марганцу, никелю, олову, титану, ванадию и др.).

Компонентом называют химически индивидуальное вещество, т. е. компонентами являются химические элементы и химические соединения.

Системой называют совокупность веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Системы бывают простые и сложные. Простая система состоит из одного компонента. Сложная система включает несколько компонентов и представляет все возможные количественные сочетания их при различных температурах.

Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других составляющих (фаз) поверхностью раздела. В жидком состоянии однородная система содержит одну фазу; при затвердевании всегда имеются две фазы: жидкая и твердая. После затвердевания образуется или одна фаза (химический элемент, химическое соединение, твердый раствор) или сплав, содержащий сочетание фаз.

«Кристаллизация металлов»

Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация), а также пере­кристаллизация в твердом состоянии (вторичная кристаллизация) при их охлаждении. К вторичной кристаллизации относятся пере­кристаллизация из одной модификации в другую (полиморфные превращения), распад твердых растворов, распад или образование химических соединений.

Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой.

Рисунок 3 Кривые процесса кристаллизации металла

На рис.3, а приведена кривая охлаждения металла. Здесь точки а и в соответствуют началу и окончанию затвердевания. Участок ав характеризует неиз­менность температуры при продолжающемся охлаждении. Это указывает на то, что при кристаллизации выделяется тепловая энергия. Чтобы вызвать в металлическом расплаве выделение твердой фазы, необходимо некоторое переохлаждение (t_пх) системы против равновесной температуры (t_р), при которой жидкая и твердая фазы являются термодинамически устойчивыми; и обратно, чтобы вызвать плавление кристаллов, металл необходимо несколько перегреть (t_пг) против равно­весной температуры (рис. 3, б).

При затвердевании и аллотропическом превращении в металле вначале возникают зародыши кристалла (центры кристаллизации), вокруг которых затем группируются атомы, образуя соответствую­щую кристаллическую решетку.

Таким образом, процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов. У каждого из растущих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллиза­ции кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкой фазой. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу и точки их соприкосновения определяют границы кристаллитов (зерен, гранул). У аморфных веществ кривые охлаждения плавные, без площадок и уступов: аллотропии у этих веществ быть не может.

«Основные свойства металлов»

У металлов выделяют механические, технологические, физические и химические свойства.

Механические свойства:

1) Прочность — это способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил;

2) Твердость - сопротивление материала деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии (изготавливают режущие инструменты);

3) Упругость — свойство материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию;

4) Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения. Вязкие металлы применяют для деталей, которые при работе подвергаются ударной нагрузке.

5) Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, волочить).

Физические свойства:

1) Способность плавиться при нагревании используют для получе­ния отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяют для отливки типографских матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров и т. п.

2) Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используют в электромашиностроении, для устройства линий электро­передачи, а сплавы с высоким электросопротивлением—для ламп накаливания, электронагревательных приборов.

3) Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (электрические генераторы, электродвигатели, трансформаторы), приборостроении (телефонные, телеграфные аппараты) и т. д.

4) Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать их для литья, обработки давлением, термической обработки; она обеспечивает также возможность пайки металлов, их сварки и т. п.

Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в химически активных средах (колосниковых решеток, деталей аппаратов и машин в химической промышленности). Для деталей, которые должны обладать высокой корро­зионной стойкостью, производят специальные коррозионно-, кисло­стойкие и жароупорные стали и другие сплавы.

«Основные сведения о сплавах»

Металлическими сплавами называют сочетания двух или нескольких металлов и неметаллов, у которых сохраняются металлические свойства. Большинство сплавов получают в жидком состоянии сплавлением, однако они могут быть получены также путем спекания, электролиза, конденсации из парообразного состояния.

По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т. д. В зависимости от при­роды компонентов образуются следующие виды сплавов:

1) механическая смесь компонентов;

2) твердый раствор компонентов;

3) химическое соединение компонентов.

Сплавы — механические смеси — неоднородны и представляют собой смесь кристаллов компонентов.

Сплавы — твердые растворы и сплавы — химические соедине­ния — однородны, причем первые могут содержать различное соот­ношение компонентов, а вторые образуются только при строго опре­деленном массовом соотношении компонентов, как всякое химиче­ское соединение.

В сплавах — твердых растворах — атомы растворимого вещества замещают атомы растворителя в кристаллической решетке (рис. 4, а) или внедряются в нее (рис. 4, б); сплавы — химические соедине­ния — образуют новую кристаллическую решетку.

Рисунок 4 Расположение атомов в твердых растворах

«Диаграммы состояния»

Диаграммы состояния представляют системы, компоненты которых полностью взаимно растворяются в жидком состоянии. Они характеризуют процессы затвердевания и структур­ного изменения различных сплавов и дают наглядное представление о фазовом составе в любом сплаве данной системы и при всех охва­тываемых диаграммой температурах.

По диаграмме состояния сплавов данных компонентов можно заранее судить о свойствах всех сплавов системы. Диаграмма со­стояния позволяет выбирать температуру нагрева сплава при тер­мической обработке сплава, обработке его давлением, температуру нагрева для литья.

Построение диаграмм состояния производится по кривым охлаждения, полученным посредством термического анализа, который сводится к выявлению критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов.

1) Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых в твердом состоянии образуют механические смеси. Например, рассмотрим сплав свинца и сурьмы (Pb – Sb)

Рисунок 5 Диаграмма состояния механической смеси

1) По линии АВ начинается выделение кристаллов свинца;

2) В области диаграммы АВD находятся кристаллы свинца и жидкий растров;

3) По линии BD затвердевает весь оставшийся раствор;

4) По линии ВС начинается выделение кристаллов сурьмы;

5) В области диаграммы СВЕ находятся кристаллы сурьмы и жидкий раствор

6) В точке в происходит одновременно кристаллизация сурьмы и свинца, образуется эвтектический сплав (легкоплавящийся), имеет низкую температуру плавления.

Линия АВС – линия ликвидуса, жидкое состояние. Линия DBE – линия солидуса, твердое состояние.

.

Рисунок 6 Диаграмма состояния твердых растворов

При медленном охлаждении в каждый момент кристаллизации состав кристаллов выравнивается вследствие диффузии. Если охлаждение производить быстро, состав внутри кристаллов не успевает выравниваться. Это явление называется ликвацией.

Твердые растворы в отличие от смесей являются однофазными. Взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии определяется следующими факторами:

1) близостью их расположения в периодической системе Менделеева (то есть сходностью строения электронных оболочек их атомов);

2) близостью атомных диаметров;

3) подобием кристаллических решеток:

4) небольшой разностью температур плавления компонентов.

3) Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Рассмотрим систему медь – серебро (Cu – Ag)

Рисунок 7 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью

Линия АВС – ликвидус, выше этой линии находятся жидкие растворы, линия ADBEC – солидус. Верхняя часть диаграммы показывает, что оба компонента взаимно растворимы, но в ограниченном количестве: предельное массовое содержание раствора α (серебра в меди) – 7%, а раствора β (меди в серебре) – 8 %. При большей концентрации по линии DE образуются эвтектика растворов α + β. Кривые DF и EG показывают, что при охлаждении ниже линии эвтектики (DE) происходит постепенный распад твердых растворов α и β (выпадение серебра из раствора α и меди из раствора β).

Рисунок 8 Диаграмма состояния химического соединения

Химическое соединение Mg₄Ca₃ можно рассматривать как новый, третий компонент, который делит диаграмму Mg – Ca на две диаграммы: Mg – Mg₄Ca₃ и Mg₄Ca₃ – Ca. Для диаграммы Mg – Mg₄ - Ca₃ линия АВС – ликвидус, линия FG – солидус. По линии АВ начинается выпадение кристаллов магния, по линии ВС – выпадение кристаллов соединения Mg₄Ca₃. В точке В одновременно кристаллизуются Mg и Mg₄Ca₃, образуя эвтектику. Система Mg₄Ca₃ – Ca аналогична.

«Диаграмма состав – свойство»

Эти диаграммы являются ценным дополнением к диаграммам состояния сплавов: они характеризуют изменение свойств сплавов в зависимости от состава.

На рис. 9, а—г изображены диаграммы состояния компонентов А и В, изменения твердости Н и электропроводности Е.

В сплавах типа Pb—Sb (рис. 9, а) свойства изменяются прямолинейно от одного компонента к другому; в сплавах типа Сu—Ni (рис. 9, б) твердость при увеличении компонента В сначала возрастает, а затем падает, электропроводность, наоборот, вначале падает, потом возрастает. В системе сплавов с ограниченной растворимостью компонентов (рис. 9, в) свойства изменяются в соответствие с принадлежностью той или иной части диаграммы к виду а или б: сначала, пока образуется смесь твердых растворов, свойства изменяются прямолинейно, затем, когда образуется твердый раствор, прямолинейный ход изменения свойств нарушается.

Изменение свойств в сплавах — химических соединения (рис. 9, г) выражается ломаными линиями, и каждое из них может быть представлено двумя различными прямыми на двух отдельных диаграммах.

Помимо твердости, прочности, электропроводности диаграммы состояния дают возможность определить литейные свойства, способ­ность поддаваться обработке давлением, резанием и т. д.