Типичными свойствами металлов и их сплавов являются высокие тепло- и электропроводность, увеличивающаяся с понижением температуры. Отмеченные свойства металлов обусловлены их электронным строением. В металлах электроны, находящиеся на внешних оболочках (валентные электроны), не связаны с определенными атомами, а оторваны от них и принадлежат всему куску металла в целом. Такие электроны называют обычно электронами проводимости. Таким образом, металл можно представить в виде положительного ионного остова, состоящего из атомных ядер с внутренними электронами, и коллективизированных электронов проводимости, образующих электронный газ. Атомы в кристаллическом твердом теле располагаются в пространстве закономерно, периодически повторяясь в трех измерениях через строго определенные расстояния, т.е. образуют кристаллическую решетку. Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна. Закономерное, повторяющееся расположение атомов, образующее пространственную геометрическую фигуру называется кристаллической решеткой. Большинство металлов образует одну из следующих решеток с плотной упаковкой атомов:
– кубическую объемно-центрированную;
– кубическую гранецентрированную;
– гексагональную.
В кубической объемно центрированной решетке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объема куба. Кубическую объемно-центрированную решетку имеют металлы: Рb, К, Na, Li, Та, W, Cr и др. В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Решетку такого типа имеют металлы: Ag, Аu, Pt, Сu и др. В гексагональной решетке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, Zn, Be, и др. Расстояния а, b, с между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называют параметром решетки. Обычно кусок металла состоит из скопления большого числа маленьких кристаллов неправильной формы, называемых зернами.
Кристаллические решетки в зернах ориентированы относительно друг друга случайным образом в некоторых случаях, например, при холодной прокатке, наблюдается преимущественная ориентировка зерен – текстура. Поверхности раздела зерен называются границами зерен. Такой кусок металла является поликристаллом. При определенных условиях, обычно при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, его называют монокристаллом. В настоящее время в лабораториях выращивают монокристаллы массой в несколько сот грамм и более. Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают такой строгой периодичностью в расположении атомов, о которой говорилось выше, т. е. не являются “идеальными” кристаллами. В действительности “реальные” кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения.
Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные, линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные). Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия) аналогично межузельным атомам (примеси, внедрения).
Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями.
Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристаллической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протяженностью лишь в нескольких межатомных расстояниях в третьем измерении. К ним относятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхности кристалла.
К объемным (трехмерным) дефектам относятся такие, которые имеют размеры в трех измерениях: макроскопические трещины, поры и т. д.
Рассматривая различные плоскости, например в ОЦК решетке, можно легко заключить, что они заполнены атомами с различной плотностью. Свойства отдельно взятого кристалла (монокристалла) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропные. Реальный металл состоит из многих кристаллов; размер каждого кристалла измеряется долями миллиметра, и поэтому в 1 см3 металла содержатся десятки тысяч кристаллов. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается примерно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате получается, что свойства такого поликристаллического тела одинаковы во всех направлениях, хотя свойства каждого кристалла, составляющего это тело, зависят от направления. Это явление называется квазиизотропией (ложная изотропия).
Каждый металл имеет свой тип кристаллической решетки, однако в ряде случаев при изменении температуры или давления может оказаться, что для того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая была при другой температуре или давлении. Существование одного металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными, или аллотропическими модификациями.
Из свойств, которыми могут обладать материалы, механические свойства в большинстве случаев являются важнейшими. Наличие металлической связи придает материалу (металлу) способность к пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации. Поэтому, если внутри материала есть дефект или форма детали такова, что имеются концентраторы напряжений, то в этих местах напряжения достигают большой величины и может возникнуть даже трещина. Но так как пластичность металла высока, то в этом месте, в том числе в устье трещины, металл пластически продеформируется, упрочнится и процесс разрушения приостановится.
Приложение к материалу напряжения вызывает деформацию. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает. Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место и деформация сохранится. Процесс пластической деформации существенно облегчается при наличии дислокации. Для полученных искусственно кристаллов без дислокации прочность очень большая, с появлением дислокации она резко снижается, а затем с увеличением их количества (и тем самым созданию трудностей для их перемещений) вновь начинает возрастать. Процесс увеличения прочности металла под действием пластической деформации называют наклепом. Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и определенной ориентировкой зерен — текстурой. Беспорядочно ориентированны кристаллы под действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации.
С увеличением деформации степень текстурованности возрастает и при больших степенях деформации достигает 100%, т.е. все зерна оказываются одинаково ориентированы. Не следует думать, что в результате деформации зерно измельчается. В действительности оно только деформируется, сплющивается и σв из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепешки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сечения.
Наклеп – структурно неустойчивое состояние металла. Возврат к устойчивому состоянию облегчается с увеличением температуры. При нагреве наклепанного металла не восстанавливается старое зерно, появляется совершенно новое зерно, размеры которого могут существенно отличаться от исходного. Образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется рекристаллизацией.
Температура рекристаллизации для технических металлов составляет 0,4 Тпл. После образования новых зерен начинается процесс собирательной рекристаллизации, и размер зерен увеличивается. Окончательный размер зерна зависит от степени пластической деформации. Небольшие деформации (3 – 5%) называют критическими, так как они приводят к максимальному росту зерна при рекристаллизации. В результате рекристаллизации образуется равноосная структура, снижается прочность металла, вызванная наклёпом, и увеличивается пластичность. В зависимости от соотношения температуры деформации и температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформации. Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.
Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры. При этих температурах деформация также вызывает упрочнение (“горячий наклеп”), которое полностью или частично снимается рекристаллизацией, протекающими при температурах обработки и при последующем охлаждении. При горячей обработке давлением (прокатке, прессовании, ковке, штамповке и т. д.) упрочнение в результате наклепа (повышение плотности дислокации) непосредственно в процессе деформации непрерывно чередуется с процессом разупрочнения (уменьшением плотности дислокации) при рекристаллизации во время деформации и охлаждении.