Дмитрий Александрович Тхоржевский
Анна Николаевна Чигнёва
ОСНОВЫ
МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩЕГО
ПРОИЗВОДСТВА
*** 1980 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Наука, изучающая химический состав, строение и свойства различных материалов, называется материаловедением.
В общем курсе материаловедения выделяют отрасль знаний о металлах — металловедение, изучающее состав, свойства и строение металлов. Значительный вклад в науку о металлах и в развитие металлургической промышленности внесли русские и советские ученые: М. В. Ломоносов, П. П. Аносов, Д. К. Чернов и другие. П. П. Аносов впервые изучил влияние легирования на свойства стали, впервые применил микроскоп для исследования ее строения, первый в мире разработал процесс газового цементирования, который и в настоящее время является наиболее прогрессивным методом науглероживания поверхностного слоя металла. Д. К. Чернов открыл структурные превращения в железоуглеродных сплавах, происходящие во время их нагревания и охлаждения, и установил при этом критические точки. Это открытие способствовало широкому развитию современного металловедения и термической обработки стали. Большой вклад в дело развития металлургии внесли академик, Герой Социалистического Труда М. А. Павлов, разработавший основы проектирования и эксплуатации современных доменных печей, и академик, Герой Социалистического Труда И. П. Бардин, который исследовал способы применения кислорода в металлургическом производстве. Технологические процессы производства металлов, их качество и технология обработки непрерывно совершенствуются. Каждый металл или сплав имеет свои качества. Поэтому правильный выбор металлов для различных деталей машин в зависимости от условий их работы имеет большое значение. От свойств металлов и их качества в значительной степени зависят качество изделия и срок его работы. Следовательно, нужно хорошо знать свойства металлов, чтобы правильно их подбирать. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ И ИХ СВОЙСТВАХ § 1. Внутреннее строение металлов Как известно, в зависимости от взаимного расположения атомов твердые тела делятся на кристаллические и аморфные. Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. В результате застывания расплавленный металл переходит из жидкого состояния в твердое. При этом образуются кристаллы. Процесс кристализации металла условно изображен на рис. 1. После снижения температуры в жидком металле возникают центры кристаллизации (рис. 1, а), вследствие чего образуются кристаллы. Дальнейшее охлаждение металла приводит к увеличению количества центров кристаллизации, при этом сами кристаллы растут, превращаясь в так называемые зерна (рис. 1, б, в, г, д, е). Кристаллическое строение металлов исследуют при помощи рентгеновских лучей и радиоактивных изотопов. Кристаллические решетки (рис. 2) имеют преимущественно вид: объемноцентрированного куба (рис. 2, а), в котором атомы металла располагаются в вершинах с одним атомом в центре; гранецентрированного куба (рис. 2, б), где атомы металла располагаются в вершинах куба и в центрах каждой грани; гексагональной решетки (рис. 2, в), в которой 12 атомов расположены в вершинах шестигранной призмы, два — в центрах ее оснований и три — в среднем сечении. Некоторые металлы (железо, цинк, олово, никель, кобальт, марганец, вольфрам и др.) могут иметь несколько типов кристаллических решеток. Это явление называют аллотропией. Кроме того, в кристаллических решетках расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, следовательно, и взаимодействие атомов в различных направлениях различно. Такое явление называют анизотропией. Структура сплавов намного сложнее структуры чистых металлов. Она, а значит, и свойства сплавов зависят от взаимодействия атомов различных элементов, входящих в состав сплавов.. Однородная часть сплава, имеющая определенные свойства, называется фазой (жидкая фаза, твердая фаза). В процессе производства металлы и их сплавы могут быть в твердой или жидкой фазе. В металлических сплавах твердые фазы могут быть в виде химического соединения или твердого раствора. Химическое соединение характеризуется тем, что в него входит определенное количество каждого элемента: такое соединение может определяться формулой, например Fe3C — соединение железа с углеродом (цементит). Строение сплавов и их свойства изменяются в зависимости от концентрации элементов, входящих в состав сплавов, и температурной обработки. § 2. Свойства металлов Физические свойства. Металлы имеют следующие физические свойства: внешний блеск поверхности, плотность, температуру плавления, теплопроводность и электропроводность, способность расширяться и светиться при нагревании, магнитные свойства н пр. Плотность металлов превышает единицу. В зависимости от плотности металлы делят на легкие (с плотностью меньше пяти) и тяжелые. К легким, часто применяемым в машиностроении, принадлежат: магний — 1,8, алюминий — 2,7, титан — 4—5 гсм3 и др. К тяжелым металлам относятся: осмий — 22,5, платина — 21,4, золото—19,3, свинец—11,3, серебро—10,5, медь — 8,5, никель — 8,9, железо — 7,9, олово — 7,3 гсм3 и пр. Плотность сплавов зависит от элементов, входящих в их состав. Так, например, плотность стали — 7,8—7,9; бронзы — 7,4— 9,0; латуни — 8,4—8,7 гсм3. Каждый металл имеет свою температуру плавления. В зависимости от температуры плавления металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие. К легкоплавким принадлежат: олово (232°С), свинец (327°С), цинк (419°С), магний (650°С), алюминий (660°С); к тугоплавким — медь (1083°С), марганец (1230°С), кобальт (1440°С), никель (1452°С), железо (1532°С), ванадий (1720°С), хром (1765°С), титан (1800°С), молибден (2700°С), вольфрам (3400°С). Наилучшую теплопроводность имеют технически чистые металлы: серебро, медь, алюминий. Если теплопроводность серебра принять За единицу, то для меди она составит 0,90, алюминия — 0,50, железа — 0,15, ртути — лишь 0,02 и т. д. Наилучшая электропроводность у серебра, меди и алюминия. Известно, что все металлы в процессе нагревания расширяются, а при охлаждении сжимаются. Эти свойства металлов и сплавов используются в технике. Так, металлы с небольшим коэффициентом линейного расширения применяют в часовых механизмах и других точных приборах. Самый меньший коэффициент линейного расширения имеет сплав FeNi, называющийся инваром. Металлы с большим коэффициентом линейного расширения применяются, например, в приборостроении для деталей механизмов автоматического действия. При определенной температуре такие детали удлиняются и могут включать или выключать электрическую цепь. Способность металлов намагничиваться определяется величиной магнитной проницаемости. Магнитная проницаемость воздуха принята за единицу. У большинства металлов, кроме ферромагнитных, магнитная проницаемость близка к единице. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов Fe, Ni, Со и их сплавов очень высокая, а неферромагнитных — низкая. Так, магнитная проницаемость неферромагнитных металлов: меди — 0,99, алюминия—1; ферромагнитных: никеля — 300, железа — 2000—3000, а сплава FeNi — 100 000. Практические задания. 1. Взвесить па весах образцы различных металлов (алюминия, стали, меди, свинца и др.) определенной формы, вычислить объем каждого взвешенного образца и определить плотность металла. Результаты сравнить с данными таблицы. 2. В сосуд с нагретой до кипения водой погрузить одинаковые по размеру пластины или стержни из различных металлов. При помощи термометра, прикрепленного к концу стержня, который выступает над водой, или прикосновением руки сравнить, какой из металлов имеет лучшую теплопроводность. Химические свойства. Одним из химических свойств металлов является их способность противостоять влиянию различных химических веществ. Большое значение имеет такое свойство металлов, как устойчивость против коррозии. Corosio (лат.), что обозначает разъедание,— это разрушение металлов вследствие образования их оединений с кислородом окружающей среды (окислов метал-ов). Однако не все металлы характеризуются высокой антикорро-онной стойкостью. Устойчивы против коррозии благородные таллы (золото, серебро, платина) и такие металлы, как хром, никель, цинк, алюминий, и сплавы, в состав которых входят ни-кш1ь, хром, кобальт и др. Устойчивость этих металлов и сплавов портив коррозии обусловливается тем, что на их поверхности образуются- защитные пленки, ппепятствующие проникновению кислорода в металл. еханические свойства и способы механических испытаний, эксплуатации на различные детали машин действуют силы, ягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие, среие детали или стирающие их поверхность, что приводит к нению формы или размеров деталей. зменение формы тела под влиянием внешних сил называется деформацией. Детали работающих машин в большинстве случае подвергаются действию различных сил, то есть в них возникаю сложные деформации. особность деталей противостоять действующим на них силам рвисит от механических свойств. ханические свойства металлов определяют испытанием их на тйрдость, прочность, вязкость, пластичность и т. д. Тярдость — это способность металла оказывать сопротивление вювливанию в его поверхность другого, более твердого тела. Твердеть металла характеризуется его способностью противо-дейстювать силам трения, чем и определяется стойкость деталей пятив износа. В машиностроении наиболее распространены два способа опредяения твердости: способ Бринелля и способ Роквелла. ПоЬособу Бринелля твердость определяют на прессе (рис. 3) по радеру отпечатка стального шарика, вдавливаемого в по-верхнфь металла при его испытании. |
