1.3. Исследование структуры металла

Одной из важных характеристик металла является его структура. Обычно проводят исследования макро- и микроструктуры металла.

Макроструктура – это строение металла, видимое невооруженным глазом или при малых увеличениях на разрезах или изломах (рис. 11). Макроанализ позволяет выявить дендритное строение, если металл литой, обнаружить в металле крупные дефекты, нарушающие его сплошность (усадочные раковины, крупные трещины и др.).

Микроструктура – строение металла, видимое при больших увеличениях с помощью микроскопа. Микроскопический анализ металлов впервые применил выдающийся русский металлург П. П. Аносов в 1831 г.

Для проведения микроанализа из металла вырезают небольшой образец – микрошлиф, одну плоскость которого шлифуют, полируют до зеркального состояния и протравливают каким-либо реактивом. Это дает возможность увидеть границы зерен, определить их величину, форму и расположение, мелкие неметаллические включения, мелкие трещины и другие дефекты, которые могут понизить механические свойства металлических изделий.

2. Свойства металлов и сплавов

Изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил называется деформацией. Действующие силы (напряжения) могут быть внешние и внутренние – от физико-механических процессов, происходящих в самом теле (например, изменение объема кристаллов при полиморфных превращениях или вследствие перепада температур).

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. При упругой деформации изменяются только расстояния между атомами кристаллической решетки. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомных расстояний, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает. При пластической деформации одна часть кристалла перемещается (сдвигается) по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвращается на прежнее место, деформация остается.

В процессе холодной пластической деформации происходит упрочнение металла. Это называется наклепом, или нагартовкой. При этом искажается кристаллическая решетка, увеличивается число кристаллических несовершенств (точечных и линейных) и деформируются (сплющиваются) зерна. Твердость и прочность повышаются, а пластичность металла снижается.

Сила, приложенная к единице площади, (Н/м²), называется напряжением. Наличие в изделии надрезов, внутренних дефектов металла, отверстий, резких переходов от толстого к тонкому сечению приводит к неравномерному распределению напряжения (рис. 12). Такие места называют концентраторами напряжения, и очень часто они являются причиной образования трещин и разрушений деталей в эксплуатации.

а б в

Рис. 12. Эпюры внутреннего напряжения

Все свойства металлов делятся на четыре группы: физические, химические, технологические и механические.

Физические свойства – цвет, плотность, температура плавления, тип кристаллической решетки, полиморфизм (аллотропия), электро-, теплопроводность, магнетизм.

Полиморфизм – свойство металла переходить из одного кристаллического состояния в другое под влиянием температуры. Это свойство характерно для железа, олова, титана и др. (рис. 13). Железо кристаллизуется при температуре 1539С в модификации дельта-железа с объемно центрированной кубической решеткой. В интервале 1392 – 911С железо имеет гранецентрированную кубическую решетку. Эта модификация – железо-гамма. Ниже температуры 911С железо опять имеет объемно центрированную кубическую решетку и до температуры 768С оно немагнитно (иногда обозначается как бета-железо). При температуре ниже 768С железо магнитно и называется железо-альфа. Часто модификации железа с решеткой объемно центрированной кубической обозначают как альфа-железо.

Химические свойства металлов – окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость и др.

Технологические свойствахарактеризуют обрабатываемость металла: свариваемость, штампуемость, жидкотекучесть, усадку, обрабатываемость резанием и т. п.