Металлы и сплавы

Металлы — химические вещества с преимущественно металлической связью, имеют ряд специфических свойств, отличающихся от свойств материалов с ковалентной или ионной связью (рис. 2.5).

Ненаправленность связи и возможность перемещения электронов по орбиталям определяют такие свойства металлов, как высокая тепло- и электропроводность. Делокализованность химической связи обусловливает возможность формирования плотноупакованных кристаллических структур в металлах. Благодаря наличию таких структур металлам свойственна повышенная пластичность при деформации. В некоторых металлах возможно частичное ковалентное взаимодействие между атомами.

По сравнению с материалами с ковалентной и ионной связями энергия связи металлов ниже, поэтому они характеризуются более низкими модулем упругости и температурой плавления (за исключением тугоплавких металлов), коэффициент линейного расширения металлов больше.

Обобщенная схема материалов с различными типами связи представлена на рис. 2.6.

Технически чистые металлы имеют низкую прочность и во многих случаях не обеспечивают того уровня механических свойств, который необходим при эксплуатации изделий из этих материалов. Поэтому в качестве конструкционных материалов преимущественно применяют сплавы, получаемые при добавлении в чистый металл (основу) различных химических элементов, называемых легирующими. На основе металлов создают разнообразные сплавы с заданным комплексом свойств. Сплавы «наследуют» от металлов физические и механические свойства, а также способность к пластической деформации.

Металлы и сплавы являются основными конструкционными материалами в машиностроении. Это обусловлено распространением металлов в природе, разнообразием свойств сплавов и возможностью обработки их с помощью различных технологических операций.

Производство деталей из сплавов включает несколько технологических этапов, которые отличаются от этапов изготовления керамических материалов или пластмасс. После выбора химического состава сплава производится выплавка, затем разливка, в процессе которой происходит затвердевание слитка. Деформируемые сплавы подвергают горячей и холодной деформации, после чего проводят механическую и термическую обработку в различных сочетаниях.

Основные преимущества сплавов перед керамикой и пластмассами:

• разнообразие спектра свойств, получаемых при легировании химическими элементами, а также в результате изменения технологии производства (при литье, горячей и холодной деформациях, термической обработке, поверхностной обработке заготовок);

• благоприятные технологические свойства, обеспечивающие получение изделий в процессе обработки заготовок давлением, резанием, сваркой и т. п.;

• повышенные пластичность и ударная вязкость, обусловливающие надежную работу деталей при эксплуатации;

• многообразие размеров и форм изготовляемых деталей;

• широкий диапазон нагрузок, рабочих температур и сред;

• возможность получения материалов со специальными физическими свойствами — электрическими, магнитными, теплофизическими.