АМФИТЕАТРОВ ТЕЛЕСКОПОВ АТРАМЕНТОВ ДОКУМЕНТОВ КЛАВИКОРДОВ МЕТАЛЛОВ ФАРФОРОВСКИЙ
Такие причудливые фамилии oтоже давались ученикам духовных семинарий. Фамилию Амфитеатров носил известный дореволюционный журналист, унаследовав ее от отца, калужского протоиерея. (Ф). Другие семинарские фамилии, связанные с древними языками, Атраментов (чернила), Документов, Клавикордов, Металлов, Фарфоровсий, Телескопов.
Цель испытания материалов состоит в том, чтобы оценить качество материала, определить его механические и эксплуатационные характеристики и выявить причины потери прочности.
Химические методы. Химические испытания обычно состоят в том, что стандартными методами качественного и количественного химического анализа определяется состав материала и устанавливается наличие или отсутствие нежелательных и легирующих примесей. Они нередко дополняются оценкой стойкости материалов, в частности с покрытиями, к коррозии под действием химических реагентов. При макротравлении поверхность металлических материалов, особенно легированных сталей, подвергают селективному воздействию химических растворов для выявления пористости, сегрегации, линий скольжения, включений, а также гросс-структуры. Присутствие серы и фосфора во многих сплавах удается обнаружить методом контактных отпечатков, при котором поверхность металла прижимается к сенсибилизированной фотобумаге. С помощью специальных химических растворов оценивается подверженность материалов сезонному растрескиванию. Проба на искру позволяет быстро определить тип исследуемой стали. Методы спектроскопического анализа особенно ценны тем, что позволяют оперативно проводить качественное определение малых количеств примесей, которые невозможно обнаружить другими химическими методами. Такие многоканальные приборы с фотоэлектрической регистрацией, как квантометры, полихроматоры и квантоваки, автоматически анализируют спектр металлического образца, после чего индикаторное устройство указывает содержание каждого присутствующего металла.
См. также ХИМИЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ.
Механические методы. Механические испытания обычно проводят для выяснения поведения материала в определенном напряженном состоянии. Такие испытания дают важную информацию о прочности и пластичности металла. В дополнение к стандартным видам испытаний может применяться специально разработанное оборудование, воспроизводящее те или иные специфические условия эксплуатации изделия. Механические испытания могут проводиться в условиях либо постепенного приложения напряжений (статической нагрузки), либо ударного нагружения (динамической нагрузки).
Виды напряжений. По характеру действия напряжения разделяются на растягивающие, сжимающие и сдвиговые. Скручивающие моменты вызывают особый вид сдвиговых напряжений, а изгибающие моменты - сочетание растягивающих и сжимающих напряжений (обычно при наличии сдвиговых). Все эти различные виды напряжений могут быть созданы в образце с помощью стандартного оборудования, позволяющего определять предельно допустимые и разрушающие напряжения.
Испытания на растяжение. Это - один из самых распространенных видов механических испытаний. Тщательно подготовленный образец помещают в захваты мощной машины, которая прикладывает к нему растягивающие усилия. Регистрируется удлинение, соответствующее каждому значению растягивающего напряжения. По этим данным может быть построена диаграмма напряжение - деформация. При малых напряжениях заданное увеличение напряжения вызывает лишь небольшое увеличение деформации, соответствующее упругому поведению металла. Наклон линии напряжение - деформация служит мерой модуля упругости, пока не будет достигнут предел упругости. Выше предела упругости начинается пластическое течение металла; удлинение быстро увеличивается до разрушения материала. Предел прочности при растяжении - это максимальное напряжение, которое металл выдерживает в ходе испытания. См. также МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
Испытания на ударную вязкость. Один из самых важных видов динамических испытаний - испытания на ударную вязкость, которые проводятся на маятниковых копрах с образцами, имеющими надрез, или без надреза. По весу маятника, его начальной высоте и высоте подъема после разрушения образца вычисляют соответствующую работу удара (методы Шарпи и Изода).
Испытания на усталость. Такие испытания имеют целью исследование поведения металла при циклическом приложении нагрузок и определение предела выносливости материала, т.е. напряжения, ниже которого материал не разрушается после заданного числа циклов нагружения. Чаще всего применяется машина для испытания на усталость при изгибе. При этом наружные волокна цилиндрического образца подвергаются действию циклически меняющихся напряжений - то растягивающих, то сжимающих.
Испытания на глубокую вытяжку. Образец листового металла зажимается между двумя кольцами, и в него вдавливается шаровой пуансон. Глубина вдавливания и время до разрушения являются показателями пластичности материала.
Испытания на ползучесть. В таких испытаниях оценивается совместное влияние длительного приложения нагрузки и повышенной температуры на пластическое поведение материалов при напряжениях, не превышающих предела текучести, определяемого в испытаниях малой длительности. Надежные результаты могут быть получены лишь на оборудовании, обеспечивающем точный контроль за температурой образца и точное измерение очень малых изменений размеров. Длительность испытаний на ползучесть обычно составляет несколько тысяч часов.
Определение твердости. Твердость чаще всего измеряют методами Роквелла и Бринелля, при которых мерой твердости служит глубина вдавливания "индентора" (наконечника) определенной формы под действием известной нагрузки. На склероскопе Шора твердость определяется по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты на поверхность образца. Твердость - очень хороший показатель физического состояния металла. По твердости данного металла зачастую можно с уверенностью судить о его внутренней структуре. Испытания на твердость часто берут на вооружение отделы технического контроля на производствах. В тех случаях, когда одной из операций является термообработка, нередко предусматривается сплошной контроль на твердость всей продукции, выходящей с автоматической линии. Такой контроль качества невозможно осуществить другими описанными выше методами механических испытаний.
Испытания на излом. В таких испытаниях образец с шейкой разрушают резким ударом, а затем излом исследуют под микроскопом, выявляя поры, включения, волосовины, флокены и сегрегацию. Подобные испытания позволяют приблизительно оценить размер зерна, толщину закаленного слоя, глубину цементации или разуглероживания и другие элементы гросс-структуры в сталях.
Оптические и физические методы. Микроскопическое исследование. Металлургический и (в меньшей степени) поляризационный микроскопы часто позволяют надежно судить о качестве материала и его пригодности для рассматриваемого вида применения. При этом удается определить структурные характеристики, в частности размеры и форму зерен, фазовые соотношения, наличие и распределение диспергированных инородных материалов.
Радиографический контроль. Жесткое рентгеновское или гамма-излучение направляется на испытуемую деталь с одной стороны и регистрируется на фотопленке, расположенной по другую сторону. На полученной теневой рентгено- или гаммаграмме выявляются такие несовершенства, как поры, сегрегация и трещины. Произведя облучение в двух разных направлениях, можно определить точное расположение дефекта. Такой метод часто применяется для контроля качества сварных швов.
Магнитно-порошковый контроль. Этот метод контроля пригоден лишь для ферромагнитных металлов - железа, никеля, кобальта - и их сплавов. Чаще всего он применяется для сталей: некоторые виды поверхностных и внутренних дефектов удается выявить нанесением магнитного порошка на предварительно намагниченный образец.
Ультразвуковой контроль. Если в металл послать короткий импульс ультразвука, то он частично отразится от внутреннего дефекта - трещины или включения. Отраженные ультразвуковые сигналы регистрируются приемным преобразователем, усиливаются и представляются на экране электронного осциллографа. По измеренному времени их прихода к поверхности можно вычислить глубину дефекта, от которого отразился сигнал, если известна скорость звука в данном металле. Контроль проводится весьма быстро и зачастую не требует выведения детали из эксплуатации.
См. также УЛЬТРАЗВУК.
Специальные методы. Существует ряд специализированных методов контроля, имеющих ограниченную применимость. К ним относится, например, метод прослушивания со стетоскопом, основанный на изменении вибрационных характеристик материала при наличии внутренних дефектов. Иногда проводят испытания на циклическую вязкость для определения демпфирующей способности материала, т.е. его способности поглощать вибрации. Она оценивается по работе, превращающейся в теплоту в единице объема материала за один полный цикл обращения напряжения. Инженеру, занимающемуся проектированием строений и машин, подверженных вибрациям, важно знать демпфирующую способность конструкционных материалов.
См. также СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ.
ЛИТЕРАТУРА
Павлов П.А. Механические состояния и прочность материалов. Л., 1980 Методы неразрушающих испытаний. М., 1983 Жуковец И.И. Механические испытания металлов. М., 1986
МЕТАЛЛОВ ЛИТЬЕ - получение металлических изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в литейную форму. Рабочая часть литейной формы представляет собой полость, в которой материал, затвердевая при охлаждении, приобретает конфигурацию и размеры нужного изделия.
МЕТАЛЛЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ
Литью поддаются все металлы. Но не все металлы обладают одинаковыми литейными свойствами, в частности жидкотекучестью - способностью заполнять литейную форму любой конфигурации. Литейные свойства зависят главным образом от химического состава и структуры металла. Важное значение имеет температура плавления. Металлы с низкой температурой плавления легко поддаются промышленному литью. Из обычных металлов наивысшая температура плавления у стали. Металлы делятся на черные и цветные. Черные металлы - это сталь, ковкий чугун и литейный чугун. К цветным относятся все другие металлы, не содержащие в значительных количествах железа. Для литья применяются, в частности, сплавы на основе меди, никеля, алюминия, магния, свинца и цинка.
См. также
Черные металлы. Стали. Различают пять классов сталей для промышленного литья: 1) малоуглеродистые (с содержанием углерода менее 0,2%); 2) среднеуглеродистые (0,2-0,5% углерода); 3) высокоуглеродистые (более 0,5% углерода); 4) низколегированные (менее 8% легирующих элементов) и 5) высоколегированные (более 8% легирующих элементов). На среднеуглеродистые стали приходится основная масса отливок из черных металлов; такие отливки представляют собой, как правило, промышленную продукцию стандартизованной сортности. Различные виды легированных сталей разработаны для достижения высокой прочности, пластичности, ударной вязкости, коррозионной стойкости, теплостойкости и усталостной прочности. Литые стали по своим свойствам близки к кованой стали. Предел прочности такой стали при растяжении составляет от 400 до 1500 МПа. Масса отливок может изменяться в широком диапазоне - от 100 г до 200 т и более, толщина в сечении - от 5 мм до 1,5 м. Длина отливки может превышать 30 м. Сталь - универсальный материал для литья. Благодаря своей высокой прочности и пластичности она представляет собой превосходный материал для машиностроения.
Ковкий чугун. Существуют два основных класса ковкого чугуна: обычного качества и перлитный. Делают отливки также из некоторых легированных ковких чугунов. Предел прочности при растяжении ковкого чугуна составляет 250-550 МПа. Благодаря своей усталостной прочности, высокой жесткости и хорошей обрабатываемости он идеален для станкостроения и многих других массовых производств. Масса отливок составляет от 100 г до нескольких сот килограммов, толщина в сечении обычно не более 5 см.
Литейный чугун. К литейным чугунам относят широкий диапазон сплавов железа с углеродом и кремнием, содержащих 2-4% углерода. Для литья применяются четыре основных вида литейного чугуна: серый, белый, отбеленный и половинчатый. Предел прочности при растяжении литейного чугуна составляет 140-420 МПа, а некоторых легированных литейных чугунов - до 550 МПа. Для литейного чугуна характерны низкая пластичность и низкая ударная прочность; у конструкторов он считается хрупким материалом. Масса отливок - от 100 г до нескольких тонн. Отливки из литейного чугуна применяются практически во всех отраслях промышленности. Их себестоимость невелика, и они легко обрабатываются резанием.
Чугун с шаровидным графитом. Шаровидные включения графита придают чугуну пластичность и другие свойства, выгодно отличающие его от серого чугуна. Шаровидность включений графита достигается путем обработки чугуна магнием или церием непосредственно перед литьем. Предел прочности при растяжении чугуна с шаровидным графитом составляет 400-850 МПа, пластичность - от 20 до 1%. Правда, для чугуна с шаровидным графитом характерна низкая ударная прочность образца с надрезом. Отливки могут иметь как большую, так и малую толщину в сечении, масса - от 0,5 кг до нескольких тонн.
Цветные металлы. Медь, латунь и бронза. Существует много различных сплавов на основе меди, пригодных для литья. Медь применяется в тех случаях, когда необходима высокая тепло- и электропроводность. Латунь (сплав меди с цинком) используется, когда желателен недорогостоящий, умеренно коррозионностойкий материал для изготовления разнообразных изделий общего назначения. Предел прочности при растяжении литой латуни составляет 180-300 МПа. Бронза (сплав меди с оловом, к которому могут добавляться цинк и никель) применяется в тех случаях, когда требуется повышенная прочность. Предел прочности при растяжении литых бронз составляет 250-850 МПа.
Никель. Медно-никелевые сплавы (типа монель-металла) обладают высокой коррозионной стойкостью. Для сплавов никеля с хромом (типа инконеля и нихрома) характерно высокое тепловое сопротивление. Молибдено-никелевые сплавы отличаются высокой стойкостью к соляной кислоте и окисляющим кислотам при повышенных температурах.
Алюминий. Литые изделия из алюминиевых сплавов в последнее время применяются все шире благодаря их легкости и прочности. Такие сплавы обладают довольно высокой коррозионной стойкостью, хорошей тепло- и электропроводностью. Прочность на растяжение литых алюминиевых сплавов находится в пределах от 150 до 350 МПа.
Магний. Магниевые сплавы применяются там, где на первом месте стоит требование легкости. Предел прочности при растяжении литых магниевых сплавов составляет 170-260 МПа.
Титан. Титан - прочный и легкий материал - плавится в вакууме и отливается в графитовые формы. Дело том, что в процессе охлаждения поверхность титана может загрязняться вследствие реакции с материалом формы. Поэтому титан, отлитый в какие-либо другие формы, кроме форм из механически обработанного и прессованного порошкового графита, оказывается сильно загрязненным с поверхности, что проявляется в повышенной твердости и низкой пластичности при изгибе. Титановое литье применяется главным образом в авиакосмической промышленности. Прочность на растяжение литого титана - свыше 1000 МПа при относительном удлинении 5%.
Редкие и драгоценные металлы. Отливки из золота, серебра, платины и редких металлов применяются в ювелирном деле, зубоврачебной технике (коронки, пломбы), литьем изготавливаются также некоторые детали электронных компонентов.
СПОСОБЫ ЛИТЬЯ
Основные способы литья таковы: статическая заливка, литье под давлением, центробежное литье и вакуумная заливка.
Статическая заливка. Чаще всего применяется статическая заливка, т.е. заливка в неподвижную форму. При таком способе расплавленный металл (или неметалл - пластмасса, стекло, керамическая суспензия) просто заливается в полость неподвижной формы до ее заполнения и выдерживается до затвердевания.
Литье под давлением. Литейная машина заполняет металлическую (стальную) литейную форму (которая обычно называется пресс-формой и может быть многогнездной) расплавленным металлом под давлением от 7 до 700 МПа. Преимущества такого метода - высокая производительность, высокое качество поверхности, точные размеры литого изделия и минимальная потребность в его механической обработке. Типичные металлы для литья под давлением - сплавы на основе цинка, алюминия, меди и олова-свинца. Благодаря низкой температуре плавления такие сплавы весьма технологичны и позволяют обеспечить малые допуски на размеры и превосходные характеристики отливок. Сложность конфигурации отливок в случае литья под давлением ограничивается тем, что при отделении от пресс-формы отливка может быть повреждена. Кроме того, несколько ограничена толщина изделий; более предпочтительны изделия тонкого сечения, в котором расплав быстро и равномерно затвердевает. Литейные машины для литья под давлением бывают двух типов - с холодной и горячей камерой прессования. Машины с горячей камерой прессования применяются в основном для сплавов на основе цинка. Горячая камера прессования погружена в расплавленный металл; под небольшим давлением сжатого воздуха или под действием поршня жидкий металл вытесняется из горячей камеры прессования в пресс-форму. В литейных машинах с холодной камерой прессования расплавленный алюминиевый, магниевый или медный сплав заполняет пресс-форму под давлением от 35 до 700 МПа. Отливки, полученные литьем под давлением, применяются во многих бытовых приборах (пылесосах, стиральных машинах, телефонных аппаратах, светильниках, пишущих машинках) и очень широко - в автомобильной промышленности и в производстве компьютеров. Отливки могут быть массой от нескольких десятков граммов до 50 кг и более.
Центробежное литье. При центробежном литье расплавленный металл заливается в песочную или металлическую литейную форму, вращающуюся вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Под действием центробежных сил металл отбрасывается от центрального литника к периферии формы, заполняя ее полости, и затвердевает, образуя отливку. Центробежное литье экономично и для некоторых видов изделий (осесимметричных типа труб, колец, обечаек и т.д.) более подходит, нежели статическая заливка.
Вакуумная заливка. Такие металлы, как титан, легированные стали и жаропрочные сплавы, плавятся в вакууме и заливаются в многократные формы, например графитовые, помещенные в вакуум. При этом методе значительно снижается содержание газов в металле. Слитки и отливки, получаемые вакуумной заливкой, весят не более нескольких сот килограммов. В редких случаях большие количества стали (100 т и более), выплавленной по обычной технологии, разливают в вакуумной камере в установленные в ней изложницы или литейные ковши для дальнейшего литья на воздухе. Металлургические вакуумные камеры больших размеров откачиваются многонасосными системами. Получаемая таким методом сталь используется для изготовления специальных изделий ковкой или литьем; этот процесс называется вакуумной дегазацией.
ЛИТЕЙНЫЕ ФОРМЫ
Литейные формы делятся на многократные и разовые (песочные). Многократные формы бывают металлические (изложницы и кокили), либо графитовые или керамические огнеупорные.
Многократные формы. Металлические формы (изложницы и кокили) для стали делают обычно из чугуна, иногда - из жаростойкой стали. Для литья цветных металлов, таких, как латунь, цинк и алюминий, пользуются чугунными, медными и латунными формами.
Изложницы. Это наиболее распространенный вид многократных литейных форм. Чаще всего изложницы делают из чугуна и применяют для получения стальных слитков на начальном этапе производства кованой или катаной стали. Изложницы относятся к открытым литейным формам, поскольку металл заполняет их сверху самотеком. Применяются также "сквозные" изложницы, открытые и сверху, и снизу. Высота изложниц может составлять 1-4,5 м, диаметр - от 0,3 до 3 м. Толщина стенки отливки зависит от размеров изложницы. Конфигурация может быть разной - от круглой до прямоугольной. Полость изложницы несколько расширяется кверху, что необходимо для извлечения слитка. Готовая к заливке изложница располагается на толстой чугунной плите. Как правило, изложницы заполняются сверху. Стенки полости изложницы должны быть гладкими и чистыми; при заливке нужно следить за тем, чтобы металл не расплескивался и не разбрызгивался на стенки. Залитый металл затвердевает в изложнице, после чего слиток вынимают ("раздевают слиток"). После остывания изложницы ее чистят изнутри, опрыскивают формовочной краской и используют снова. Одна изложница позволяет получить 70-100 слитков. Для дальнейшей обработки ковкой или прокаткой слиток нагревают до высокой температуры.
Кокили. Это закрытые металлические литейные формы с внутренней полостью, соответствующей конфигурации изделия, и литниковой (заливочной) системой, которые выполняются путем механической обработки в чугунном, бронзовом, алюминиевом или стальном блоке. Кокиль состоит из двух или большего числа деталей, после соединения которых остается лишь небольшое отверстие сверху для заливки расплавленного металла. Для формования внутренних полостей в кокиль закладываются гипсовые, песочные, стеклянные, металлические или керамические "стержни". Литьем в кокиль получают отливки из сплавов на основе алюминия, меди, цинка, магния, олова и свинца. Литье в кокиль применяется лишь в тех случаях, когда требуется получить не менее 1000 отливок. Ресурс кокиля достигает нескольких сотен тысяч отливок. Кокиль идет в скрап, когда (из-за постепенного выгорания от расплавленного металла) начинает недопустимо снижаться качество поверхности отливок и перестают выдерживаться расчетные допуски на их размеры.
Графитовые и огнеупорные формы. Такие формы состоят из двух или большего числа деталей, при соединении которых образуется требуемая полость. Форма может иметь вертикальную, горизонтальную или наклонную поверхность разъема либо разбираться на отдельные блоки; это облегчает извлечение отливки. После извлечения форму можно собрать и использовать снова. Графитовые формы допускают сотни отливок, керамические - лишь несколько. Графитовые многократные формы можно изготовить путем механической обработки графита, а керамические легко формуются, так что они значительно дешевле металлических форм. Графитовые и огнеупорные формы могут использоваться для повторного литья в случае неудовлетворительных отливок, полученных литьем в кокиль. Огнеупорные формы делают из фарфоровой глины (каолина) и других высокоогнеупорных материалов. При этом используются модели из легкообрабатываемых металлов или из пластмассы. Порошкообразный или гранулированный огнеупор замешивают с глиной на воде, полученную смесь формуют и заготовку литейной формы обжигают так же, как кирпичи или посуду.
Разовые формы. На песочные литейные формы налагается гораздо меньше всяческих ограничений, нежели на любые другие. Они пригодны для получения отливок любых размеров, любой конфигурации, из любого сплава; они наименее требовательны к конструкции изделия. Песочные формы изготавливают из пластичного огнеупорного материала (обычно кремнистого песка), придавая ему нужную конфигурацию, чтобы залитый металл по затвердевании сохранил эту конфигурацию и мог быть отделен от формы. Формовочную смесь получают, замешивая на воде в специальной машине песок с глиной и органическими связующими. При изготовлении песчаной формы в ней предусматривают верхнее литниковое отверстие с "чашей" для заливки металла и внутреннюю литниковую систему каналов для питания отливки расплавленным металлом в процессе затвердевания, так как иначе из-за усадки при затвердевании (свойственной большинству металлов) в отливке могут образовываться пустоты (усадочные раковины).
ФОРМЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ КОЛОКОЛОВ
Оболочковые формы. Такие формы бывают двух типов: из материала с низкой температурой плавления (гипс) и из материала с высокой температурой плавления (на основе тонкого порошка диоксида кремния). Гипсовую оболочковую форму изготавливают, замешивая на воде гипсовый материал с крепителем (быстроотверждающимся полимером) до тонкой консистенции и облицовывая такой смесью модель отливки. После того как материал формы затвердеет, ее разрезают, обрабатывают и сушат, а затем "спаривают" две полуформы и заливают. Такой способ литья пригоден только для цветных металлов. Литье по восковым выплавляемым моделям. Такой метод литья применяется для драгоценных металлов, стали и других сплавов с высокой температурой плавления. Сначала изготавливают пресс-форму, соответствующую отливаемой детали. Ее обычно выполняют из легкоплавкого металла или (механической обработкой) из латуни. Затем, заполняя пресс-форму парафином, пластмассой или ртутью (после этого замораживаемой), получают модель для одной отливки. Модель облицовывают огнеупорным материалом. Материал оболочковой формы получают из тонкого порошка огнеупора (например, пудры диоксида кремния) и жидкого связующего. Слой огнеупорной облицовки уплотняют вибрацией. После того как он затвердеет, форму нагревают, парафиновая или пластмассовая модель расплавляется и жидкость вытекает из формы. Затем форму обжигают для удаления газов и в нагретом состоянии заливают жидким металлом, который поступает самотеком, под давлением сжатого воздуха или под действием центробежных сил (в машине для центробежного литья).
Керамические формы. Керамические формы изготавливаются из фарфоровой глины, силлиманита, муллита (алюмосиликаты) или других высокоогнеупорных материалов. При изготовлении таких форм обычно пользуются моделями из легкообрабатываемых металлов или из пластмассы. Порошкообразные или гранулированные огнеупорные материалы смешивают с жидким связующим (этилсиликатом) до студнеподобной консистенции. Только что изготовленная форма пластична, так что модель можно извлечь из нее, не повредив полость формы. Затем форму обжигают при высокой температуре и заливают расплавом нужного металла - стали, твердого хрупкого сплава, сплава на основе редких металлов и пр. Такой метод позволяет изготавливать формы любых типов и пригоден как для мелкосерийного, так и для крупносерийного производства.
См. также КЕРАМИКА ПРОМЫШЛЕННАЯ.
ЛИТЕРАТУРА
Юдкин В.С. Производство и литье сплавов цветных металлов. М., 1967-1971 Бауман Б.В. и др. Литейное производство. М., 1971 Степанов Ю.А. и др. Технология литейного производства. М., 1983
Когда на металлический образец действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла. Интенсивность силы, действующей на образец, называется напряжением и измеряется как полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под деформацией понимается относительное изменение размеров образца, вызванное приложенными напряжениями.
УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, РАЗРУШЕНИЕ
Если напряжение, приложенное к металлическому образцу, не слишком велико, то его деформация оказывается упругой - стоит снять напряжение, как его форма восстанавливается. Некоторые металлические конструкции намеренно проектируют так, чтобы они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая упругая деформация. В других случаях упругую деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости: s = eY, где s - напряжение, e - упругая деформация, а Y - модуль упругости (модуль Юнга). Модули упругости ряда металлов представлены в табл. 1.
Пользуясь данными этой таблицы, можно вычислить, например, силу, необходимую для того, чтобы растянуть стальной стержень квадратного поперечного сечения со стороной 1 см на 0,1% его длины: F = Y*A*DL/L = 200 000 МПа ґ 1 см2*0,001 = 20 000 Н (= 20 кН) Когда к металлическому образцу прикладываются напряжения, превышающие его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению его формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала. Важнейшим критерием при выборе металлического материала, от которого требуется высокая упругость, является предел текучести.
У самых лучших пружинных сталей практически такой же модуль упругости, как и у самых дешевых строительных, но пружинные стали способны выдерживать гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести. Пластические свойства металлического материала (в отличие от упругих) можно изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние текучести уже при напряжениях порядка 40 МПа, тогда как предел текучести сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько процентов хрома и никеля, после нагревания до 950° С и закалки может достигать 2000 МПа. Когда металлический материал нагружен с превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение. Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а также наклепом). Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые стержни можно холодной прокаткой или холодным волочением довести до уровня твердости, который требуется от окончательной продукции.
Растяжение. Соотношение между напряжением и деформацией для материалов часто исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения - график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной - напряжение (рис. 1). Хотя при растяжении поперечное сечение образца уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного сечения, а не к уменьшенной, которая давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице. На рис. 1 представлены кривые деформация - напряжение для двух материалов с неодинаковой пластичностью. (Пластичность - это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после снятия нагрузки.) Начальный линейный участок как той, так и другой кривой заканчивается в точке предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее пластичного материала высшая точка диаграммы, его предел прочности на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала предел прочности на растяжение достигается тогда, когда скорость уменьшения поперечного сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания начинается образование "шейки" (локальное ускоренное уменьшение поперечного сечения). Хотя способность образца выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки.
Рис. 1. ДИАГРАММЫ РАСТЯЖЕНИЯ для двух металлов с разной пластичностью: сравнительно хрупкого (штриховая линия) и более пластичного (сплошная линия). Пределы текучести обоих металлов почти совпадают. Более хрупкий металл разрушается по достижении своего предела прочности при растяжении, а более пластичный - пройдя через свой предел прочности.
Типичные значения величин, характеризующих прочность на растяжение ряда металлов и сплавов, представлены в табл. 2. Нетрудно видеть, что эти значения для одного и того же материала могут сильно различаться в зависимости от обработки.
Сжатие. Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с тем, что наблюдается при растяжении (рис. 2). Кривая соотношения между условным напряжением и условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для растяжения только потому, что при сжатии поперечное сечение образца не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше.
Рис. 2. ДИАГРАММЫ РАСТЯЖЕНИЯ И СЖАТИЯ.
Кривая условного напряжения для сжатия проходит выше, чем для растяжения, только потому, что при сжатии поперечное сечение увеличивается, а не уменьшается.
Твердость. Твердость материала - это его способность сопротивляться пластической деформации. Поскольку испытания на растяжение требуют дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, часто прибегают к более простым испытаниям на твердость. При испытаниях по методам Бринелля и Роквелла в поверхность металла при заданных нагрузке и скорости нагружения вдавливают "индентор" (наконечник, имеющий форму шара или пирамиды). Затем измеряют (часто это делается автоматически) размер отпечатка, и по нему определяют показатель (число) твердости. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Твердость и предел текучести - это в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая. Может сложиться впечатление, что в металлических материалах всегда желательны максимальные предел текучести и твердость. На самом деле это не так, и не только по экономическим соображениям (процессы упрочнения требуют дополнительных затрат). Во-первых, материалам необходимо придавать форму различных изделий, а это обычно осуществляется с применением процессов (прокатки, штамповки, прессования), в которых важную роль играет пластическая деформация. Даже при обработке на металлорежущем станке очень существенна пластическая деформация. Если твердость материала слишком велика, то для придания ему нужной формы требуются слишком большие силы, вследствие чего режущие инструменты быстро изнашиваются. Такого рода трудности можно уменьшить, обрабатывая металлы при повышенной температуре, когда они становятся мягче. Если же горячая обработка невозможна, то используется отжиг металла (медленные нагрев и охлаждение). Во-вторых, по мере того как металлический материал становится тверже, он обычно теряет пластичность. Иначе говоря, материал становится хрупким, если его предел текучести столь велик, что пластическая деформация не происходит вплоть до тех напряжений, которые сразу же вызывают разрушение. Конструктору обычно приходится выбирать какие-то промежуточные уровни твердости и пластичности.
Ударная вязкость и хрупкость. Вязкость противоположна хрупкости. Это способность материала сопротивляться разрушению, поглощая энергию удара. Например, стекло хрупкое, потому что оно не способно поглощать энергию за счет пластической деформации. При столь же резком ударе по листу мягкого алюминия не возникают большие напряжения, так как алюминий способен к пластической деформации, поглощающей энергию удара. Существует много разных методов испытания металлов на ударную вязкость. При использовании метода Шарпи призматический образец металла с надрезом подставляют под удар отведенного маятника. Работу, затраченную на разрушение образца, определяют по расстоянию, на которое маятник отклоняется после удара. Такие испытания показывают, что стали и многие металлы ведут себя как хрупкие при пониженных температурах, но как вязкие - при повышенных. Переход от хрупкого поведения к вязкому часто происходит в довольно узком температурном диапазоне, среднюю точку которого называют температурой хрупко-вязкого перехода. Другие испытания на ударную вязкость тоже указывают на наличие такого перехода, но измеренная температура перехода изменяется от испытания к испытанию в зависимости от глубины надреза, размеров и формы образца, а также от метода и скорости ударного нагружения. Поскольку ни в одном из видов испытаний не воспроизводится весь диапазон рабочих условий, испытания на ударную вязкость ценны лишь тем, что позволяют сравнивать разные материалы. Тем не менее они дали много важной информации о влиянии сплавления, технологии изготовления и термообработки на склонность к хрупкому разрушению. Температура перехода для сталей, измеренная по методу Шарпи с V-образным надрезом, может достигать +90° С, но соответствующими легирующими присадками и термообработкой ее можно понизить до -130° С. Хрупкое разрушение стали было причиной многочисленных аварий, таких, как неожиданные прорывы трубопроводов, взрывы сосудов давления и складских резервуаров, обвалы мостов. Среди самых известных примеров - большое количество морских судов типа "Либерти", обшивка которых неожиданно расходилась во время плавания. Как показало расследование, выход из строя судов "Либерти" был обусловлен, в частности, неправильной технологией сварки, оставлявшей внутренние напряжения, плохим контролем за составом сварного шва и дефектами конструкции. Сведения, полученные в результате лабораторных испытаний, позволили существенно уменьшить вероятность таких аварий. Температура хрупко-вязкого перехода некоторых материалов, например вольфрама, кремния и хрома, в обычных условиях значительно выше комнатной. Такие материалы обычно считаются хрупкими, и придавать им нужную форму за счет пластической деформации можно только при нагреве. В то же время медь, алюминий, свинец, никель, некоторые марки нержавеющих сталей и другие металлы и сплавы вообще не становятся хрупкими при понижении температуры. Хотя многое уже известно о хрупком разрушении, это явление нельзя еще считать полностью изученным.
Усталость. Усталостью называется разрушение конструкции под действием циклических нагрузок. Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению. При достаточно большом числе циклов нагружения разрушение могут вызывать напряжения, значительно более низкие, чем те, при которых происходит разрушение в случае однократного нагружения. Знакопеременные напряжения вызывают локализованные пластическую деформацию и деформационное упрочнение материала, в результате чего с течением времени возникают малые трещины. Концентрация напряжений вблизи концов таких трещин заставляет их расти. Сначала трещины растут медленно, но по мере уменьшения поперечного сечения, на которое приходится нагрузка, напряжения у концов трещин увеличиваются. При этом трещины растут все быстрее и, наконец, мгновенно распространяются на все сечение детали.
См. также РАЗРУШЕНИЯ МЕХАНИЗМЫ. Усталость, несомненно, является самой распространенной причиной выхода конструкций из строя в условиях эксплуатации. Особенно подвержены этому детали машин, работающие в условиях циклического нагружения. В авиастроении усталость оказывается очень важной проблемой из-за вибрации. Во избежание усталостного разрушения приходится часто проверять и заменять детали самолетов и вертолетов.
Ползучесть. Ползучестью (или крипом) называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием постоянной нагрузки. С появлением воздушно-реактивных двигателей, газовых турбин и ракет стали приобретать все более важное значение свойства материалов при повышенных температурах. Во многих областях техники дальнейшее развитие сдерживается ограничениями, связанными с высокотемпературными механическими свойствами материалов. При нормальных температурах пластическая деформация устанавливается почти мгновенно, как только прикладывается соответствующее напряжение, и в дальнейшем мало увеличивается. При повышенных же температурах металлы не только становятся мягче, но и деформируются так, что деформация продолжает нарастать со временем. Такая зависящая от времени деформация, или ползучесть, может ограничивать срок службы конструкций, которые должны длительное время работать при повышенных температурах. Чем больше напряжения и чем выше температура, тем больше скорость ползучести. Типичные кривые ползучести представлены на рис. 3. После начальной стадии быстрой (неустановившейся) ползучести эта скорость уменьшается и становится почти постоянной. Перед разрушением скорость ползучести вновь увеличивается. Температура, при которой ползучесть становится критической, неодинакова для разных металлов. Предметом забот телефонных компаний является ползучесть подвесных кабелей в свинцовой оболочке, работающих при обычных температурах окружающей среды; в то же время некоторые специальные сплавы могут работать при 800° С, не обнаруживая чрезмерной ползучести.
Рис. 3. ТИПИЧНЫЕ КРИВЫЕ ПОЛЗУЧЕСТИ. После стадии быстрой неустановившейся ползучести скорость ползучести уменьшается и становится почти постоянной, а затем наступает стадия ускоренной ползучести, которая завершается разрушением.
Срок службы деталей в условиях ползучести может определяться либо предельно допустимой деформацией, либо разрушением, и конструктор должен всегда иметь в виду эти два возможных варианта. Пригодность материалов для изготовления изделий, рассчитанных на длительную работу при повышенных температурах, например лопаток турбин, трудно оценить заранее. Испытания за время, равное предполагаемому сроку службы, зачастую практически невозможны, а результаты кратковременных (ускоренных) испытаний не так просто экстраполировать на более длительные сроки, поскольку может измениться характер разрушения. Хотя механические свойства жаропрочных сплавов постоянно улучшаются, перед металлофизиками и материаловедами всегда будет стоять задача создания материалов, способных выдерживать еще более высокие температуры.
См. также МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ.
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
Выше речь шла об общих закономерностях поведения металлов под действием механических нагрузок. Чтобы лучше понять соответствующие явления, нужно рассмотреть атомное строение металлов. Все твердые металлы - кристаллические вещества. Они состоят из кристаллов, или зерен, расположение атомов в которых соответствует правильной трехмерной решетке. Кристаллическую структуру металла можно представить как состоящую из атомных плоскостей, или слоев. Когда прикладывается напряжение сдвига (сила, заставляющая две соседние плоскости металлического образца скользить друг по другу в противоположных направлениях), один слой атомов может сдвинуться на целое межатомное расстояние. Такой сдвиг скажется на форме поверхности, но не на кристаллической структуре. Если один слой сдвинется на много межатомных расстояний, то на поверхности образуется "ступенька". Хотя отдельные атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть под микроскопом, ступеньки, образовавшиеся за счет скольжения, хорошо видны под микроскопом и названы линиями скольжения. Обычные металлические предметы, встречающиеся нам ежедневно, являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа кристаллов, в каждом из которых своя ориентация атомных плоскостей. Деформация обычного поликристаллического металла имеет с деформацией монокристалла то общее, что она происходит за счет скольжения по атомным плоскостям в каждом кристалле. Заметное же скольжение целых кристаллов по их границам наблюдается только в условиях ползучести при повышенных температурах. Средний размер одного кристалла, или зерна, может составлять от нескольких тысячных до нескольких десятых долей сантиметра. Желательна более мелкая зернистость, так как механические характеристики мелкозернистого металла лучше, чем у крупнозернистого. Кроме того, мелкозернистые металлы менее хрупки.
Скольжение и дислокации. Процессы скольжения удалось подробнее исследовать на монокристаллах металлов, выращенных в лаборатории. При этом выяснилось не только то, что скольжение происходит в некоторых определенных направлениях и обычно по вполне определенным плоскостям, но и то, что монокристаллы деформируются при очень малых напряжениях. Переход монокристаллов в состояние текучести начинается для алюминия при 1, а для железа - при 15-25 МПа. Теоретически же этот переход в обоих случаях должен происходить при напряжениях ок. 10 000 МПа. Такое расхождение между экспериментальными данными и теоретическими расчетами на протяжении многих лет оставалось важной проблемой. В 1934 Тейлор, Полани и Орован предложили объяснение, основанное на представлении о дефектах кристаллической структуры. Они высказали предположение, что при скольжении сначала происходит смещение в какой-то точке атомной плоскости, которое затем распространяется по кристаллу. Граница между сдвинувшейся и несдвинувшейся областями (рис. 4) представляет собой линейный дефект кристаллической структуры, названный дислокацией (на рисунке эта линия уходит в кристалл перпендикулярно плоскости рисунка). Когда к кристаллу прикладывается напряжение сдвига, дислокация движется, вызывая скольжение по плоскости, в которой она находится. После того как дислокации образовались, они очень легко движутся по кристаллу, чем и объясняется "мягкость" монокристаллов.
Рис. 4. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА. а - напряжение сдвига прилагается в направлении стрелок; слева образуется дислокация (б), обведенная кружком, которая движется вправо (в), после чего снова восстанавливается равновесие (г).
В кристаллах металлов обычно имеется множество дислокаций (общая длина дислокаций в одном кубическом сантиметре отожженного металлического кристалла может составлять более 10 км). Но в 1952 научные сотрудники лабораторий корпорации "Белл телефон", испытывая на изгиб очень тонкие нитевидные кристаллы ("усы") олова, обнаружили, к своему удивлению, что изгибная прочность таких кристаллов близка к теоретическому значению для совершенных кристаллов. Позднее были обнаружены чрезвычайно прочные нитевидные кристаллы и многих других металлов. Как предполагают, столь высокая прочность обусловлена тем, что в таких кристаллах либо вообще нет дислокаций, либо имеется одна, идущая по всей длине кристалла.
Температурные эффекты. Влияние повышенных температур можно объяснить, исходя из представлений о дислокациях и зеренной структуре. Многочисленные дислокации в кристаллах деформационно-упрочненного металла искажают кристаллическую решетку и увеличивают энергию кристалла. Когда же металл нагревается, атомы становятся подвижными и перестраиваются в новые, более совершенные кристаллы, содержащие меньше дислокаций. С такой рекристаллизацией и связано разупрочнение, которое наблюдается при отжиге металлов.
ЛИТЕРАТУРА
Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М., 1979 Уайэтт О.Г., Дью-Хьюз Д. Металлы, керамики, полимеры. М., 1979 Павлов П.А. Механические состояния и прочность материалов. Л., 1980 Соболев Н.Д., Богданович К.П. Механические свойства материалов и основы физики прочности. М., 1985 Жуковец И.И. Механические испытания металлов. М., 1986 Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. М., 1987
МЕТАЛЛОВ ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ - формование металлических материалов механическими средствами без снятия стружки. Наряду с формообразованием обработка давлением может улучшать качество и механические свойства металла. Обработка металлов давлением производится либо в "горячем" (нагретом), либо в "холодном" (соответствующем комнатной температуре) состоянии. При обработке давлением многих металлов и сплавов сначала производится горячая обработка, позволяющая использовать повышенную пластичность нагретого материала, а затем следует окончательная обработка в холодном состоянии, обеспечивающая высокое качество поверхности и точные размеры. Основные методы обработки металлов давлением - ковка, штампование, прокатка, прессование.
Ковка и штампование. Ручная ковка была исторически первым из применяемых до сих пор способов формоизменяющей обработки металлов. Первый паровой молот, появившийся в 1843, деформировал металл силой падения груза, а пар служил для поднятия последнего. Вслед за таким молотом простого действия в 1888 появился молот двойного действия, верхняя "баба" которого при движении вниз дополнительно разгоняется силой пара. Ковка и объемное штампование могут выполняться на молоте или на прессе. Ковка бывает свободная и в штампах. Штампы объемного штампования молотовые и для горячештамповочных прессов состоят из верхней (закрепляемой на верхней головке молота или пресса) и нижней частей, на соприкасающихся поверхностях которых имеются ручьи для последовательного формообразования изделий. Штампы для листового штампования (вырубные, пробивные, гибочные и др.) состоят из двух основных деталей - матрицы и входящего в нее пуансона, а иногда одна и та же часть штампа служит и пуансоном, и матрицей.
Прокатка. Обжатие прокаткой - самый распространенный процесс обработки металлов давлением. Хотя "отцом" современных методов прокатки принято считать Г.Корта, первый прокатный стан которого относится приблизительно к 1783, исторические документы свидетельствуют о том, что золото и серебро для чеканки монет прокатывались в листы во Франции еще в 1753. Существует много разных типов прокатных станов, но практически во всех таких установках обжатие осуществляется двумя валками, вращающимися навстречу друг другу. Валки захватывают заготовку, и из них она выходит, уменьшившись по толщине и увеличившись в длине. Возникающее при этом боковое, или поперечное, уширение в большинстве случаев незначительно. Названия прокатного стана обычно указывают на вид производимой продукции: блюминговый, слябинговый, листопрокатный, полосовой, толстолистовой. В соответствии с температурой прокатываемого металла различают станы горячей и холодной прокатки.
Прессование. Многие металлы и сплавы при повышенных температурах настолько пластичны, что их можно выдавливать под прессом через отверстие матрицы, как зубную пасту из тюбика. Таким методом прессования выдавливанием, или экструзии, можно изготавливать изделия сложного поперечного сечения. Экструзией получают, например, прутки, трубы, фасонные изделия, покрывают свинцовой оболочкой кабель. Прессованием без истечения осуществляют, в частности, операции глубокой вытяжки - превращения плоской заготовки в гильзу.
Прошивка. Операция прошивки применяется при изготовлении бесшовных труб из литых цилиндрических заготовок и экструдированных прутков. Нагретая заготовка захватывается двумя косыми (коническими) валками прошивного стана, вращающимися навстречу друг другу, и надвигается в процессе поперечно-винтовой (геликоидальной) прокатки на оправку, закрепленную посередине между валками. Из разнообразных устройств для производства бесшовных труб наиболее известен прошивной стан Маннесмана. Прошивке поддаются далеко не все металлы и сплавы, но сталь, медь и некоторые сплавы на основе меди достаточно пластичны для такой обработки, требующей очень большой деформации.
Волочение. Прутки и проволока. Диаметр прутка, полученного экструзией или прокаткой, можно уменьшить, протянув его сквозь отверстие волочильной доски (волки, или матрицы). Протягиванием через ряд волок с последовательно уменьшающимися отверстиями можно получить пруток малого диаметра. Точно так же из прутка самого малого диаметра можно получить проволоку. Обжатие проволоки, особенно очень тонкой, часто производится непрерывным протягиванием ее через ряд волок, число которых может достигать 12.
Трубы. Волочение труб обычно применяется для уменьшения наружного диаметра трубы или толщины ее стенки либо и для того и для другого. Холодное волочение обеспечивает гладкую поверхность трубы, точные размеры и улучшенные механические свойства. Такое "редуцирование" при калибровке труб осуществляется волочением через волоку с несколько уменьшенным отверстием, в центре которого закреплена оправка. Уменьшение толщины стенки трубы определяется диаметром оправки.
Выдавливание. Выдавливанием на токарнодавильном станке формуют тонкий металл, прижимая его к вращающейся оправке. Такой метод пригоден лишь для изготовления симметричных изделий кругового поперечного сечения. Для выдавливания изделий меняющегося по оси диаметра необходимы разборные оправки, допускающие съем готового изделия.
См. также
МЕТАЛЛОВ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА;
ЛИТЕРАТУРА
Дальский А.М. и др. Механическая обработка материалов. М., 1981 Полухин П.И. и др. Обработка металлов давлением в машиностроении. М., 1983 Орлов П.Н. и др. Краткий справочник металлиста. М., 1986
металлов тверже (иноск.) - долговечнее
Ср. Я памятник себе воздвиг чудесный, вечный,
Металлов тверже он и выше пирамид...
Так! весь я не умру...
Державин. Памятник.
Ср. Aere perennius.
Прочнее (долговременнее) меди.
Horat. Od. 3, 30, 1.
См. памятник.
См. я памятник себе воздвиг нерукотворный.
МЕТАЛЛОВ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА - определенный временной цикл нагрева и охлаждения, которому подвергают металлы для изменения их физических свойств. Термообработка в обычном смысле этого термина проводится при температурах, не достигающих точки плавления. Процессы плавления и литья, оказывающие существенное влияние на свойства металла, в это понятие не включаются. Изменения физических свойств, вызываемые термической обработкой, обусловлены изменениями внутренней структуры и химических соотношений, происходящими в твердом материале. Циклы термической обработки представляют собой различные комбинации нагрева, выдерживания при определенной температуре и быстрого или медленного охлаждения, соответствующие тем структурным и химическим изменениям, которые требуется вызвать.
Зернистая структура металлов. Всякий металл обычно состоит из множества соприкасающихся друг с другом кристаллов (называемых зернами), как правило, имеющих микроскопические размеры, но иногда и видимых простым глазом. Внутри каждого зерна атомы расположены так, что образуют правильную трехмерную геометрическую решетку. Тип решетки, называемый кристаллической структурой, является характеристикой материала и может быть определен методами рентгеноструктурного анализа. Правильное расположение атомов сохраняется в пределах всего зерна, если не считать небольших нарушений, таких, как отдельные узлы решетки, случайно оказавшиеся вакантными. Все зерна имеют одинаковую кристаллическую структуру, но, как правило, по-разному ориентированы в пространстве. Поэтому на границе двух зерен атомы всегда менее упорядочены, чем внутри них. Этим объясняется, в частности, то, что границы зерен легче поддаются травлению химическими реагентами. На полированной плоской поверхности металла, обработанной подходящим травителем, обычно выявляется четкая картина границ зерен. Физические свойства материала определяются свойствами отдельных зерен, их воздействием друг на друга и свойствами границ зерен. Свойства металлического материала существенным образом зависят от размеров, формы и ориентации зерен, и цель термической обработки состоит в том, чтобы управлять этими факторами.
Атомные процессы при термической обработке. При повышении температуры твердого кристаллического материала его атомам становится все легче переходить из одного узла кристаллической решетки в другой.
Именно на этой диффузии атомов и основана термическая обработка. Наиболее эффективный механизм движения атомов в кристаллической решетке можно представить себе как движение вакантных узлов решетки, которые всегда имеются в любом кристалле. При повышенных температурах благодаря увеличению скорости диффузии ускоряется процесс перехода неравновесной структуры вещества в равновесную. Температура, при которой заметно повышается скорость диффузии, неодинакова для разных металлов. Она обычно выше для металлов с высокой температурой плавления. В вольфраме с его температурой плавления, равной 3387° C, рекристаллизация не происходит даже при красном калении, тогда как термическую обработку алюминиевых сплавов, плавящихся при низких температурах, в некоторых случаях оказывается возможным проводить при комнатной температуре.
Во многих случаях термической обработкой
предусматривается очень быстрое охлаждение, называемое закалкой, цель которого - сохранить структуру, образовавшуюся при повышенной температуре. Хотя, строго говоря, такую структуру нельзя считать термодинамически устойчивой при комнатной температуре, практически она вполне устойчива благодаря низкой скорости диффузии. Очень многие полезные сплавы обладают подобной "метастабильной" структурой. Изменения, вызываемые термической обработкой, могут быть двух основных видов. Во-первых, и в чистых металлах, и в сплавах возможны изменения, затрагивающие только физическую структуру. Это могут быть изменения напряженного состояния материала, изменения размеров, формы, кристаллической структуры и ориентации его кристаллических зерен. Во-вторых, изменяться может и химическая структура металла. Это может выражаться в сглаживании неоднородностей состава и образовании выделений другой фазы, во взаимодействии с окружающей атмосферой, созданной для очистки металла или придания ему заданных поверхностных свойств. Изменения того и другого вида могут происходить одновременно.
См. МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ.
Снятие напряжений. Деформация в холодном состоянии повышает твердость и хрупкость большинства металлов. Иногда такое "деформационное упрочнение" желательно. Цветным металлам и их сплавам обычно придают ту или иную степень твердости холодной прокаткой. Малоуглеродистые стали тоже часто упрочняют холодным деформированием. Высокоуглеродистые стали, доведенные холодной прокаткой или холодным волочением до повышенной прочности, необходимой, например, для изготовления пружин, обычно подвергают отжигу для снятия напряжений - нагревают до сравнительно низкой температуры, при которой материал остается почти столь же твердым, как и раньше, но в нем исчезают неоднородности распределения внутренних напряжений. Благодаря этому ослабевает тенденция к растрескиванию, особенно в коррозионных средах. Такое снятие напряжений происходит, как правило, за счет локального пластического течения в материале, не приводящего к изменениям общей структуры.
Рекристаллизация. При разных методах обработки металлов давлением нередко требуется сильно изменять форму заготовки. Если формообразование должно проводиться в холодном состоянии (что часто диктуется практическими соображениями), то приходится разбивать процесс на ряд ступеней, в промежутках между ними проводя рекристаллизацию. После первой ступени деформации, когда материал упрочнен настолько, что дальнейшее деформирование может привести к разрушению, заготовку нагревают до температуры, превышающей температуру отжига для снятия напряжений, и выдерживают для рекристаллизации. Благодаря быстрой диффузии при такой температуре за счет атомной перестройки возникает совершенно новая структура. Внутри зеренной структуры деформированного материала начинают расти новые зерна, которые с течением времени полностью ее заменяют. Сначала образуются мелкие новые зерна в местах наибольшего нарушения старой структуры, а именно на старых границах зерен. При дальнейшем отжиге атомы деформированной структуры перестраиваются так, что тоже становятся частью новых зерен, которые растут и в конце концов поглощают всю старую структуру. Заготовка сохраняет прежнюю форму, но она теперь - из мягкого, ненапряженного материала, который может быть подвергнут новому циклу деформирования. Такой процесс можно повторять несколько раз, если этого требует заданная степень деформирования. Холодная обработка - это деформирование при температуре, слишком низкой для рекристаллизации. Для большинства металлов данному определению соответствует комнатная температура. Если деформирование производится при достаточно высокой температуре, так что рекристаллизация успевает следовать за деформированием материала, то такая обработка называется горячей. Пока температура остается достаточно высокой, его можно сколь угодно сильно деформировать. Горячее состояние металла определяется, в первую очередь, тем, насколько его температура близка к точке плавления. Высокая ковкость свинца означает, что он легко рекристаллизуется, т.е. его "горячую" обработку можно проводить при комнатной температуре.
Контроль текстуры. Физические свойства зерна, вообще говоря, неодинаковы в разных направлениях, так как каждое зерно - это монокристалл с собственной кристаллической структурой. Свойства металлического образца представляют собой результат усреднения по всем зернам. В случае беспорядочной ориентации зерен общие физические свойства одинаковы во всех направлениях. Если же некоторые кристаллические плоскости или атомные ряды большинства зерен параллельны, то свойства образца становятся "анизотропными", т.е. зависящими от направления. В этом случае у чашечки, полученной глубоким выдавливанием из круглой пластинки, будут "язычки", или "фестоны", на верхней кромке, объясняющиеся тем, что в одних направлениях материал деформируется легче, чем в других. При механическом формообразовании анизотропия физических свойств, как правило, нежелательна. Но в листах магнитных материалов для трансформаторов и других устройств очень желательно, чтобы направление легкого намагничения, которое в монокристаллах определяется кристаллической структурой, во всех зернах совпадало с заданным направлением магнитного потока. Таким образом, "предпочтительная ориентация" (текстура) может быть желательна или нежелательна в зависимости от назначения материала. Вообще говоря, при рекристаллизации материала его предпочтительная ориентация меняется. Характер этой ориентации зависит от состава и чистоты материала, от вида и степени холодной деформации, а также от длительности и температуры отжига.
Контроль размера зерен. Физические свойства металлического образца в значительной мере определяются средним размером зерен. Наилучшим механическим свойствам почти всегда соответствует мелкозернистая структура. Уменьшение размера зерна часто является одной из целей термической обработки (а также плавления и литья). При повышении температуры ускоряется диффузия, а потому средний размер зерна увеличивается. Границы зерен смещаются так, что более крупные зерна растут за счет мелких, которые, в конце концов, исчезают. Поэтому завершающие процессы горячей обработки обычно проводят при возможно более низкой температуре, чтобы были минимальны размеры зерен. Часто специально предусматривают низкотемпературную горячую обработку, в основном для уменьшения размеров зерен, хотя того же результата можно достичь холодной обработкой с последующей рекристаллизацией.
Гомогенизация. Процессы, о которых говорилось выше, протекают и в чистых металлах, и в сплавах. Но существует ряд других процессов, которые возможны лишь в металлических материалах, содержащих два или большее число компонентов. Так, например, в отливке сплава почти наверняка будут неоднородности химического состава, что определяется неравномерным процессом затвердевания. В затвердевающем сплаве состав твердой фазы, образующейся в каждый данный момент, не таков, как в жидкой, находящейся с ней в равновесии. Следовательно, состав твердого вещества, возникшего в начальный момент затвердевания, будет иным, нежели в конце затвердевания, а это и ведет к пространственной неоднородности состава в микроскопическом масштабе. Такая неоднородность устраняется простым нагреванием, особенно в сочетании с механическим деформированием.
Очистка. Хотя чистота металла определяется в первую очередь условиями плавления и литья, очистка металла часто достигается термической обработкой в твердом состоянии. Примеси, содержащиеся в металле, реагируют на его поверхности с атмосферой, в которой он нагревается; так, атмосфера водорода или другого восстановителя может превратить значительную часть оксидов в чистый металл. Глубина такой очистки зависит от способности примесей диффундировать из объема на поверхность, а поэтому определяется длительностью и температурой термической обработки.
Выделение вторичных фаз. В основе большинства режимов термической обработки сплавов лежит один важный эффект. Он связан с тем, что растворимость в твердом состоянии компонентов сплава зависит от температуры. В отличие от чистого металла, в котором все атомы одинаковы, в двухкомпонентном, например твердом, растворе имеются атомы двух разных сортов, случайно распределенные по узлам кристаллической решетки. Если увеличивать количество атомов второго сорта, то можно достичь состояния, когда они не смогут просто замещать атомы первого сорта. Если количество второго компонента превышает этот предел растворимости в твердом состоянии, в равновесной структуре сплава появляются включения второй фазы, отличающиеся по составу и структуре от исходных зерен и обычно разбросанные между ними в виде отдельных частиц. Такие частицы второй фазы могут оказывать сильное влияние на физические свойства материала, что зависит от их размера, формы и распределения. Эти факторы можно изменять термической обработкой. Растворимость в твердом состоянии обычно увеличивается с повышением температуры, как показано на рис. 1. Здесь видно, что при равновесных условиях материал, который по своему составу и температуре лежит слева от кривой, существует в виде одной фазы - твердого раствора. Справа же от кривой состав и температура соответствуют структуре, содержащей вторую фазу, каким-то образом диспергированную в первой. Если состав сплава определяется абсциссой X0, то его равновесная структура может быть либо однофазной, либо двухфазной в зависимости от температуры. График, по осям которого откладываются состав и температура, показывающий фазы в равновесных условиях, называется фазовой диаграммой или диаграммой состояний. Следует иметь в виду, что такая диаграмма (график рис. 1 лишь часть ее) иллюстрирует структуры, которые могут существовать лишь в равновесных условиях, а при низких температурах для достижения равновесия требуется много времени. Если сплав состава X0 поддерживать при температуре T1, то в конце концов он станет однофазным твердым раствором. Вторая фаза, присутствовавшая в нем первоначально, исчезнет вследствие диффузии ее атомов, которые станут частью твердого раствора. Такая обработка называется термической обработкой на твердый раствор. Если после этого медленно охлаждать материал, то при температуре T0 начнут возникать частицы второй фазы, которые будут расти при дальнейшем понижении температуры. Это приведет к тому, что образуется небольшое количество довольно крупных частиц, наличие которых будет сказываться, например, на механических свойствах. Однако процесс выделения второй фазы можно проводить иначе. Если твердый раствор, соответствующий температуре T1, достаточно быстро охладить до комнатной температуры, то сохранится однофазный твердый раствор. Хотя его равновесная структура должна быть двухфазной, скорость диффузии при комнатной температуре столь мала, что структуру твердого раствора можно считать практически стабильной. Если же теперь материал нагреть до температуры, не выходящей за пределы двухфазной области, но обеспечивающей быструю диффузию, то можно вызвать выделение второй фазы в высокодисперсной форме. Такую обработку часто называют старением раствора. Выбирая нужную длительность и температуру старения, можно контролировать размеры зерна, что позволяет добиться дисперсности частиц, существенно повышающей прочность материала.
Рис. 1. ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА двухкомпонентного сплава показывает, что растворимость в твердом состоянии увеличивается с повышением температуры. Сплав, температура и состав которого соответствуют точкам, лежащим слева от кривой, - однофазный, т.е. представляет собой твердый раствор.
Таким способом можно упрочнять многие практически полезные сплавы, например, серебряный припой "стерлинг", содержащий несколько процентов меди. Важным примером могут служить алюминиевые сплавы, содержащие несколько процентов меди и составляющие основу дюралюмина. Упрочняющим старением таких сплавов достигается очень высокое отношение предела прочности к весу. Особенно интересно то, что их упрочняющее старение в какой-то мере может происходить за счет диффузии при комнатной температуре. После термической обработки на твердый раствор и закалки до комнатной температуры прочность таких сплавов постепенно увеличивается в 2 раза на протяжении нескольких дней вследствие выделения второй фазы, происходящего при комнатной температуре. Чтобы сохранить состояние твердого раствора, материал приходится хранить при пониженной температуре. Например, дюралюминовая заклепка, выдерживаемая в сухом льду после термической обработки на твердый раствор, остается мягкой до установки на место, а затем за несколько дней сама по себе упрочняется при комнатной температуре. Другой интересный пример - сплавы "алнико" (на железной основе, содержащие алюминий, никель и кобальт) для постоянных магнитов. Чтобы такой сплав приобрел магнитные свойства, оптимальные для постоянных магнитов, его после термической обработки на твердый раствор подвергают закалке и старению при условиях, обеспечивающих определенные размеры, форму и распределение частиц вторичных фаз. Для повышения эффективности старение проводят в магнитном поле.
Кинетика и закалка. Фазовую диаграмму, представленную на рис. 1 и показывающую фазовую структуру, которой будет обладать сплав, когда достигнет равновесного состояния, следует дополнить данными о скорости его приближения к такому состоянию. На графике рис. 2 по вертикальной оси тоже откладывается температура, но по горизонтальной - не состав, а время. Кривая этого графика, имеющая С-образную форму, описывает поведение сплава, состав которого соответствует точке X0, T0 на рис. 1. Если образец состава X0 выдержать при температуре выше T0 до завершения обработки на твердый раствор, а затем закалить до более низкой температуры, скажем T2, то после некоторого периода "ожидания" начнут возникать частицы выделившейся второй фазы и их количество будет расти, пока не будет достигнут равновесный уровень, отвечающий этой температуре. Кривая рис. 2 показывает время, необходимое при разных температурах для того, чтобы началось такое фазовое превращение в сплаве, первоначально подвергнутом термической обработке на твердый раствор. Аналогичную С-образную форму имеют кривые, показывающие время, необходимое для полного превращения или для достижения некоторого промежуточного состояния. Форма кривой указывает на то, что скорость превращения нарастает до максимума при некоторой температуре Tm, лежащей значительно ниже T0, а затем снова уменьшается. Это объясняется совместным действием двух противоположных эффектов. При температурах выше T0 стабильной фазой является твердый раствор, и он будет существовать как угодно долго. Если же его охладить до температуры, несколько меньшей T0, то, как явствует из фазовой диаграммы (рис. 1), должно образоваться некоторое количество второй фазы. Но С-образная кривая свидетельствует, что для этого потребуется очень много времени. Дело в том, что в данном случае мала степень охлаждения, т.е. разность температуры T0 и фактической температуры, а именно эта разность является движущей силой процесса перехода к термодинамическому равновесию. Чем больше охлаждение, тем больше движущая сила и тем быстрее движется система к равновесию, на что указывает крутой загиб книзу в левой части С-образной кривой. Однако чем больше понижается температура, тем меньше становится скорость диффузии. Ниже температуры Tm движущая сила продолжает увеличиваться, но подвижность атомов настолько уменьшается, что время, необходимое для превращения, снова начинает увеличиваться и в конце концов становится практически бесконечно большим.
Рис. 2. С-ОБРАЗНАЯ КРИВАЯ описывает поведение сплава, состав которого соответствует точке X0, T0 на рис. 1, после закалки. Кривая определяет время, необходимое при разных температурах для того, чтобы началось послезакалочное выделение второй фазы. При температурах выше T0 стабильной фазой является твердый раствор.
Цель закалки металла после термической обработки на твердый раствор в том, чтобы очень быстро, не дав времени на превращение, охладить его ниже точки Tm до температуры T3, при которой скорость превращения ничтожно мала. Максимально возможная скорость закалки металлического образца (или изделия) определяется скоростью отвода тепла с его поверхности, а также его размерами и коэффициентом теплопроводности. Первый фактор ограничивается кипением закалочной среды (по большей части воды или соляного раствора) и, попросту говоря, всегда одинаков. Поэтому предельные размеры детали, которая может быть закалена без фазового превращения, зависят от теплопроводности ее материала, так как именно теплопроводностью определяется скорость охлаждения в объеме детали, даже если считать бесконечно большой скорость отвода тепла с ее поверхности.
См. также
ЛИТЕРАТУРА
Металловедение и термическая обработка стали. М., 1961-1962 Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах. М., 1978 Павлов П.А. Механические состояния и прочность материалов. Л., 1980
металлове́д, металлове́ды, металлове́да, металлове́дов, металлове́ду, металлове́дам, металлове́дом, металлове́дами, металлове́де, металлове́дах
ср.
1. Научная дисциплина, изучающая строение и свойства металлов [металл I] и металлических сплавов, связь этих свойств между собою и законы их изменения под влиянием внешних факторов.
2. Учебный предмет, содержащий теоретические основы данной дисциплины.
3. разг.
Учебник, излагающий содержание данного учебного предмета.
МЕТАЛЛОВЕ́ДЕНИЕ, -я, ср. Наука о строении и физических свойствах металлов и сплавов.
| прил. металловедческий, -ая, -ое.
МЕТАЛЛОВЕ́ДЕНИЕ -я; ср. Наука, изучающая строение и свойства металлов и сплавов, их изменения при различных внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.п.). Курс металловедения.
* * *
металлове́дение - наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлических материалов, закономерности их изменений при механических, тепловых, химических и других видах воздействия. Научная основа получения металлических материалов с заданными свойствами. Металловедение тесно связано с металлофизикой.
* * *
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ - МЕТАЛЛОВЕ́ДЕНИЕ, наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлических материалов, закономерности их изменений при механических, тепловых, химических и др. видах воздействия. Научная основа получения металлических материалов с заданными свойствами. Металловедение тесно связано с металлофизикой.
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ - наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлических материалов, закономерности их изменений при механических, тепловых, химических и др. видах воздействия. Научная основа получения металлических материалов с заданными свойствами. Металловедение тесно связано с металлофизикой.
-я, ср.
Наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлов и сплавов, а также их изменения при различных внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т. д.).
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, наука, изучающая связь между составом, структурой и свойствами металлических материалов, их изменения при тепловых, деформационных и физико-химических воздействиях. Научная основа изыскания составов, способов изготовления и обработки металлических материалов с различными свойствами. Возникло в начале 19 в. Одним из основоположников металловедения был П.П. Аносов, впервые применивший микроструктурные исследования, разрабатывая способ получения булатной стали.
металлове́дение, металлове́дения, металлове́дений, металлове́дению, металлове́дениям, металлове́дением, металлове́дениями, металлове́дении, металлове́дениях
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ - применение физических принципов и экспериментальных методов для изучения и целенаправленного улучшения характеристик металлов и сплавов. Среди экспериментальных методов, применяемых к металлам и сплавам, ведущим является микроскопия. Металлография, более старая дисциплина, занимающаяся микроскопическим исследованием сплавов на разных стадиях термической обработки, теперь составляет часть металловедения. Центральным понятием физического металловедения является понятие равновесия фаз в сплаве; его графическим выражением служат диаграммы равновесия, или фазовые диаграммы. Однако зачастую сплавы оказываются в неравновесных, "метастабильных" состояниях. Исследование перехода от метастабильного к устойчивому (равновесному) состоянию также является важной частью металловедения. Металлы и сплавы заполнены метастабильными дефектами, которые определяют их поведение под нагрузкой и при облучении. Интерпретация этого поведения образует третью составную часть металловедения.
ФАЗОВАЯ СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Металлы и сплавы являются, как правило, кристаллическими материалами, хотя обычно не имеют кристаллических граней, знакомых нам по минералам. Кристаллическая структура металлов и сплавов определяет их свойства, в частности анизотропию, т.е. неодинаковость свойств материала по разным направлениям в кристалле. Таким образом, свойства типа жесткости и теплового расширения для разных осей кристалла различны. Часто анизотропия металлического объекта незаметна, так как он состоит из мелких кристалликов (рис. 1), имеющих произвольную ориентацию кристаллических осей, что приводит к усреднению анизотропии в объекте как целом. Если, однако, кристаллические оси стремятся принять некоторое предпочтительное направление, то говорят, что объект имеет предпочтительную ориентацию, или текстуру.
Рис.
1. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ обычно состоят из мелких зерен (слева). Поликристаллическая поверхность меди, рассматриваемая в поляризованном свете через оптический микроскоп, выглядит подобно лоскутному одеялу (справа).
Структура кристаллической решетки. Большинство простых металлов кристаллизуется в довольно простую структуру, например кубическую или гексагональную с плотной упаковкой, или в объемно-центрированную кубическую структуру, в которой атомы расположены в вершинах и центре кубической элементарной ячейки (рис. 2). Олово и уран могут служить примерами металлов, которые имеют более сложную кристаллическую структуру с тетрагональными или ромбическими элементарными ячейками.
См. также
Рис. 2. ПРОСТЫЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА, демонстрирующие (слева) вид кубической гранецентрированной решетки, известной также под названием кубической решетки с плотной упаковкой, и (справа) вид объемно-центрированной кубической решетки.
Когда один металл хорошо перемешивается с другим, то образуется либо твердый раствор, либо интерметаллическое соединение. В твердом растворе атомы распределены произвольным образом и среднее расстояние между ними различно, но кристаллическая структура сохраняется. Интерметаллическое соединение обычно имеет кристаллическую структуру, которая отличается от структуры составляющих его металлов, а его атомы распределяются упорядоченным образом. Интерметаллические соединения в большинстве случаев имеют простую формулу, например CuZn, Ni3Al или Cu5Sn. Некоторые из них строго ограничены своим идеальным составом; для многих других, однако, характерен значительный диапазон возможных составов. В годы зарождения физического металловедения, когда еще не была ясна природа химической связи, интерметаллические соединения относили к дальтонидам и бертоллидам, названным так Н. С. Курнаковым в честь Дж. Дальтона (1766-1844), который отстаивал идею постоянной атомной основы химических соединений, и К. Бертолле (1748-1822), основателя учения об изменяющемся химическом равновесии. Теперь механизм соединения металлов стал более понятным, и указанные термины начинают выходить из употребления. Бертоллид неидеального состава представляет собой в действительности твердый раствор; твердый раствор, основанный на чистом металле, называют "предельным" ("граничным") твердым раствором.
Фазы. Сплавы могут содержать области из двух или более кристаллических структур, различающихся составом. В типичном случае одна область состоит из предельного твердого раствора и одна или несколько - из интерметаллических соединений. Такие области называются фазами. В частично расплавленном сплаве жидкая область также является отдельной фазой. Число, кристаллическая структура, состав и относительная доля фаз в сплаве, рассматриваемые как функции температуры и полного состава сплава, служат основой диаграмм равновесия. К их описанию мы и переходим.
ДИАГРАММЫ РАВНОВЕСИЯ
Представление об устойчивой комбинации фаз для материалов определенного состава при данных температуре и давлении восходит к американскому физику Дж. У. Гиббсу (1839-1903). Гиббс пришел к выводу, что, в принципе, даже химически чистый элемент может образовывать ряд различных кристаллических структур. Структура с самой низкой энергией образуется при равновесии. Понятие об этой энергии, получившей название энергии Гиббса (G), базируется на двух дополнительных понятиях - энтальпии и энтропии. Энтальпия H единицы массы металла может мыслиться как сумма энтальпий всех связей между соседними парами атомов этой массы. Энтальпия зависит от кристаллической структуры, потому что и число атомных пар, и расстояния между соседними атомами изменяются от структуры к структуре. (Принято считать, что самая прочно связанная совокупность атомов имеет самую низкую энтальпию.) Однако металл не обязательно будет образовывать структуру с самой низкой энтальпией при всех температурах. Это обусловлено тем, что тепловые колебания атомов влияют на прочность связи: чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний и слабее связь. Величина этих колебаний выражается через энтропию S, которую удобно представлять как меру беспорядка. Энергия Гиббса G дается соотношением G = H - TS, где T есть абсолютная температура (измеряемая в градусах Кельвина). В твердом растворе (см. выше) энтропия зависит не только от тепловых колебаний атомов, но также от числа способов, которыми различные атомы могут быть распределены в кристаллической структуре. Это число характеризует беспорядок и увеличивается с ростом концентрации твердого раствора. Такой статистический аспект энтропии играет исключительно важную роль при определении равновесия системы сплава. Когда температура возрастает, материал становится существенно неупорядоченным. Близкая параллель может быть найдена в статистической энтропии эластичного полимера, которая является источником его сопротивления растяжению. Когда первоначально изогнутые полимерные цепи распрямляются, число возможных конфигураций уменьшается, и цепи теряют энтропию. Соотношение G = H - TS и вывод Гиббса о том, что самое низкое возможное значение G определяет, какая кристаллическая структура является устойчивой, обусловливают тот факт, что энтальпия и энтропия в физическом металловедении находятся в состоянии постоянной конкуренции. Диаграмма равновесия показывает, как рассчитывается эта конкуренция для двух и более металлов при разных их пропорциях и температурах. Рассмотрим диаграммы равновесия для некоторых систем сплавов, чтобы лучше уяснить изложенные принципы.
Система серебро - магний. Диаграмма равновесия для этой комбинации металлов показана в нижней части рис. 3. По вертикальной оси откладывается температура, а по горизонтальной - доля атомов магния в серебре. На диаграмме можно выделить пять однофазных областей: при высоких температурах, жидкость; при более низких температурах, область a, зона граничных твердых растворов, основанных на кубической кристаллической структуре серебра, характеризующейся плотной упаковкой; область g, основанная на гексагональной кристаллической структуре магния, характеризующейся плотной упаковкой; область b ў, (бертоллидное) интерметаллическое соединение AgMg с простой кубической структурой из атомов Ag в вершинах кубов и атомов Mg в их центрах; наконец, фаза e, более узкая бертоллидная область, соответствующая соединению AgMg3, структура которого имеет более сложную гексагональную элементарную ячейку. Эти однофазные области разделены двухфазными областями, в которых сосуществуют смежные фазы с составами, определяемыми границами с соседями, и изменяющиеся с температурой, причем относительные пропорции зависят от точки в пределах области, которая определяет температуру и общий состав. (Так, точка P определяет сплав с 0,6 долей атомов Mg, находящихся в равновесии при 600 К, т.е. 327° С.) Такой сплав иллюстрирует тот факт, что общий состав сплава совершенно отличен от состава равновесных фаз, если их две или более.
Рис. 3. ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА СЕРЕБРО - МАГНИЙ.
Обычно расплав сплава не может затвердевать без изменения в составе. Поэтому, когда расплав состава A достигает линии ликвидуса, он начинает затвердевать в составе B, определяемом линией солидуса. Этот процесс изменяет состав остальной части расплава, обогащая его магнием, так что последующее затвердевание происходит при постепенно снижающихся температурах, образуя твердое тело непрерывно изменяющегося состава. Такой сплав имеет неравномерный состав, определяемый смещающимся равновесием в процессе его затвердевания. Если охлаждение происходит медленно, то миграция атомов в горячем твердом теле успевает выровнять состав сплава; при быстром охлаждении равновесие не успевает установиться. Это простой пример метастабильной структуры. Интерметаллическое соединение AgMg затвердевает "гармонично" - без изменения состава, т.е. можно сказать, что ликвидус и солидус при этом составе сплава совпадают; зачастую это служит для определения идеального состава бертоллида. Однако фаза e затвердевает в результате более сложного процесса, получившего название перитектической кристаллизации, которая включает взаимодействие между жидкостью состава C и твердым телом состава D. Наконец, в правой части диаграммы отражен процесс эвтектической кристаллизации. В этом случае сплав общего состава E застывает с образованием однородной двухфазной смеси фазы e и граничного твердого раствора, обогащенного магнием (так называемая эвтектическая смесь), а затем затвердевает при постоянной эвтектической температуре. Если сплав содержит немного больше или меньше Mg, чем сплав E, то одна или другая из упомянутых выше фаз затвердевает первой до тех пор, пока оставшийся расплав не достигнет состава E, после чего образуется эвтектическая смесь. Результат представляет собой двухфазную смесь, состоящую (в случае избытка магния) из областей крупных зерен твердого раствора, обогащенного магнием, с вкраплениями зон мелкозернистой эвтектической смеси, так что одна и та же фаза существует в двух различных микроструктурных формах. Верхняя часть диаграммы рис. 3 показывает оценку энергии Гиббса G при постоянной температуре 1050 К (777° С) с фазовым составом для жидкой и b ў фаз. Для данного общего состава сплава устойчивой фазовой структурой всегда является структура, соответствующая более низкому значению G, за исключением тех диапазонов состава, где общая касательная к двум кривым лежит ниже обеих кривых, например диапазоны P1Q1 и P2Q2. Здесь двухфазная смесь будет иметь более низкую энергию Гиббса, чем если бы сплав состоял исключительно из одной или другой фазы. Аналогичным образом могут быть интерпретированы все части диаграммы равновесия.
Система медь - золото. Эту систему часто относят к металлургической классике. На рис. 4 приведена часть диаграммы равновесия Cu - Au в упрощенном виде. Cu3Au представляет собой бертоллидное соединение, кристаллическая структура которого показана ниже (рис. 5,a). Когда это соединение претерпевает медленное нагревание в равновесном состоянии, оно при критической температуре TC = 390° С переходит в состояние, в котором атомы меди и золота распределены по узлам гранецентрированной кубической решетки произвольно. Это превращение называется переходом порядок - беспорядок. При дальнейшем нагревании неупорядоченная форма остается в равновесии до тех пор, пока не достигнет температуры плавления. Если соединение имеет нестехиометрический или неидеальный состав, например Cu78Au22, то TC снижается примерно до 350° С, и появляется узкая область, в которой упорядоченная и неупорядоченная формы соединения, слабо различающиеся составом, сосуществуют в равновесии.
Рис. 4. ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА МЕДЬ - ЗОЛОТО (фрагмент, упрощено).
Рис. 5. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ Cu3Au (a) и CuAu (б). Схематическое изображение совокупности доменов CuAu, в которую превращается первоначально неупорядоченный одиночный кристалл (в).
Упорядоченная форма, например форма Cu3Au, существует потому, что имеет столько отличающихся друг от друга (Cu - Au) ближайших соседей в своей кристаллической структуре, сколько допускает эта формула. Такие соседи имеют сильные связи, заключающие в себе низкую общую энтальпию H. Переход порядок - беспорядок появляется потому, что TS в выражении G = H - TS увеличивается с ростом температуры до тех пор, пока для этого сплава не станет выгодным - в смысле энергии - беспорядок. В этом беспорядке возникает большое число однородных атомных пар (Cu - Cu и Au - Au), имеющих слабые связи, и H растет. Этот рост более чем компенсируется резким увеличением статистической энтропии, что обусловлено произвольным распределением атомов Cu и Au. Увеличение TS более чем компенсирует рост H, когда порядок в структуре уступает место беспорядку. Хорошей аналогией описанного поведения может служить эластичность резины. Когда резиновую ленту нагревают, ее сопротивление растяжению возрастает, потому что возрастает TS. Аналогичным феноменом является исчезновение ферромагнетизма при нагревании куска железа выше его температуры Кюри; отдельные атомные магнитики в железе ведут себя во многом так же, как атомные пары Cu и Au в Cu3Au.
См. также МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. Для объяснения того, почему переход может быть резким (как в случае с Cu3Au), используются методы статистической физики - теории коллективного поведения больших совокупностей атомов. Когда достигается критическая температура, происходит нечто вроде схода лавины: чем больше атомов становятся неупорядоченными, тем легче остальные следуют за ними. Статистическая физика может придать смысл структурным переходам, предоставив информацию об относительной силе связей; однако она не может объяснить, почему связи Cu - Au прочнее связей Cu - Cu и Au - Au. Для этого необходимо применить квантовую механику. Как статистическая, так и квантовая теории имеют важное значение для исследований в современном физическом металловедении.
См. также КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА; СТАТИСТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА. Если к рассматриваемому сплаву добавить больше золота, чтобы получить состав CuAu, наблюдается другой вид перехода порядок - беспорядок. Упорядоченная форма этого бертоллидного соединения показана на рис. 5,б. Упорядоченный CuAu имеет тетрагональную структуру, состоящую из последовательных слоев только Cu и только Au. Расчет показывает, что эта структура имеет больше отличающихся ближайших соседей, чем неупорядоченная (гранецентрированная кубическая) структура. Этот вид перехода порядок - беспорядок, связанный с изменением симметрии и размеров элементарной ячейки, приводит к интересным усложнениям. Указанная неупорядоченная форма имеет три равноценные оси куба, расположенные под прямыми углами друг к другу. Любая из этих осей может превращаться в тетрагональную ось c, так что одиночный неупорядоченный кристалл может превратиться в совокупность так называемых доменов, у каждого из которых есть некоторая ось c, по разному ориентированная относительно его непосредственных соседей; это схематически изображено на рис. 5,в. Поскольку ось с упорядоченного домена короче ребра куба, представляющего неупорядоченную элементарную ячейку, упорядочение вызывает локальные деформации в сплаве. Одним из следствий этого является то, что конфигурация доменов (рис. 5,в) оптимизируется таким образом, чтобы минимизировать суммарную энергию упругой деформации, так как различно ориентированные домены в какой-то степени уменьшают упругие деформации друг друга. Еще одно следствие состоит в том, что внешнее напряжение может изменять предпочтительную конфигурацию доменов, а в крайнем случае свести весь кристалл к одному домену. В современном физическом металловедении роль напряжения в определении структуры сильно возросла. Сплавы, близкие по составу к CuAu и содержащие малые количества других благородных металлов, используются для зубных коронок и мостов. При закалке с высокой температуры такой сплав становится метастабильно неупорядоченным и, в этом состоянии, мягким. При последующем нагревании до 200-300° С он упорядочивается и принимает сложную доменную структуру, которая гораздо тверже. Такая термообработка позволяет повысить прочность зубных коронок.
Система железо - углерод. Эта система имеет важное практическое значение в промышленности. Общепринятый вариант ее фазовой диаграммы приведен на рис. 6. Эта диаграмма, для которой характерна метастабильная фаза Fe3C (цементит), соответствует сталям. В чугунах, содержащих большое количество углерода, последний выступает в виде самой устойчивой фазы, т.е. в виде элементарного углерода (графита). В сталях углерод обычно не выделяется, и вместо него появляется цементит, образование которого идет легко. Таким образом, рис. 6 дает пример диаграммы метастабильной фазы.
Рис. 6. ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА ЖЕЛЕЗО - УГЛЕРОД (опущена графитовая фаза).
При термической обработке простых (т. е. железоуглеродистых) сталей существенным является то, что в зависимости от температуры они имеют две различные кристаллические структуры. При температурах немного ниже температуры затвердевания железо и растворы принимают структуру объемно-центрированной кубической решетки (дельта-фаза). При более низких температурах сталь превращается в аустенит (гамма-фаза) с гранецентрированной кубической решеткой. При еще более низких температурах происходит возврат к объемно-центрированной структуре, названной здесь альфа-фазой. (Переход от объемно-центрированной кубической решетки к гранецентрированной и обратно является уникальным для железа.) Понятие бета-железа исчезло из научного словаря, когда было осознано, что фаза, для описания которой оно предназначалось, не отражает никакого кристаллографического перехода. Фазы альфа и дельта также кристаллографически идентичны и имеют разные обозначения потому, что считались в прошлом двумя разными формами. Когда простая углеродистая сталь, содержащая 3,6 атомов углерода на 100 атомов сплава (3,6%), медленно охлаждается, в ней происходит эвтектоидная реакция. Эта реакция сродни эвтектической реакции (см. выше), но имеет место в твердом состоянии. Получающийся продукт представляет собой смесь, называемую перлитом и состоящую из почти чистого объемно-центрированного железа (называемого ферритом) и цементита. На рис. 7,а изображен полированный и травленный шлиф перлита, как он виден под микроскопом.
Рис. 7. МИКРОГРАФИЧЕСКИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ (полученные с помощью оптического микроскопа) перлита (а), мартенсита (б) и распределения частиц цементита в феррите (в).
Если, однако, подвергнуть аустенит закалке в воду, то перлит образоваться не успевает, а вместо него образуется структура, названная мартенситом. Это превращение не фигурирует на фазовой диаграмме, потому что мартенсит метастабилен по отношению к перлиту. На рис. 7,б представлено микрографическое изображение стали, которая была частично превращена в мартенсит. Мартенсит имеет искаженную форму объемно-центрированной кубической структуры, что делает его исключительно твердым и хрупким. При нагреве мартенсита до умеренной температуры он начинает превращаться в однородную смесь альфа-железа и цементита, становясь все более мягким и деформируемым. Это процесс отпуска - мартенситного старения. Например, высококачественному клинку или сабле придается нужная форма, когда сталь мягкая; при последующей закалке режущий край остывает очень быстро, а толстый медленнее. В результате режущая кромка становится очень твердой, а противоположный край - менее мартенситным и, следовательно, менее хрупким. Многие применяемые на практике стали представляют собой результат гораздо более сложной термической обработки, чем только что рассмотренная простая Fe - C сталь, и, кроме того, содержат другие легирующие элементы, такие, как хром, ванадий, ниобий и молибден. Эти присадки могут усиливать тенденцию образования мартенсита, благодаря чему и толстые детали допускают закалку. Каждая сталь характеризуется кривой зависимости превращения от времени и температуры (пример приведен на рис. 8), так что конструктор может получить путем термообработки любую желаемую структуру (и механические характеристики) выбранной стали.
См. также МЕТАЛЛОВ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА.
Рис. 8. КРИВЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ВРЕМЯ - ТЕМПЕРАТУРА ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЙ в стали, содержащей 0,4 мас. % углерода и 1,0 мас. % марганца. A - аустенит (гранецентрированная кубическая решетка); F - феррит (твердый раствор углерода в железе с объемно-центрированной кубической решеткой); C - цементит, Fe3C. MS - температура начала образования мартенсита при охлаждении; M90 показывает завершение процесса превращения на 90%. Кривая a соответствует закалке в воду и представляет только мартенсит; кривая b соответствует закалке в масло и представляет смесь мартенсита, феррита и цементита.
До недавнего времени катаный стальной лист, который используется для изготовления автомобильных кузовов, не мог быть подвергнут термообработке, поскольку огромные рулоны листовой стали слишком велики, чтобы можно было обеспечить быстрое и контролируемое изменение температуры. Теперь после отжига такой лист подвергают холодной прокатке и затем перед свертыванием в рулон пропускают через низкотемпературную печь и устройство контролируемого охлаждения. График температура - время выдерживается с помощью компьютерного управления каждой стадией процесса. В результате такой процедуры слабо легированный стальной лист может быть доведен до стандартов прочности, однородности и профиля, которые прежде были недостижимы. В результате автомобильный кузов стал легче и прочнее.
Тройные сплавы. Тройные системы имеют соответствующие фазовые диаграммы. Известным примером может служить система Ni - Al - Fe. Тройные фазовые диаграммы включают в себя трехфазные, двухфазные и однофазные области. Таким образом, это весьма сложные структуры, требующие трехмерного графического представления посредством призмы, в основании которой лежит равносторонний треугольник. Ось призмы представляет температуру, а каждая точка основания - конкретный тройной состав. Границы фаз изображаются двумерными сечениями. Четверные системы еще сложнее и редка становятся предметом исследования; они изображаются с помощью правильного тетраэдра, в котором каждая точка представляет конкретный состав (все такие точки относятся к одной температуре).
Расчет фазовых диаграмм. Время и усилия, затрачиваемые на расчет фазовых диаграмм, особенно тройных систем, было существенно сокращено благодаря разработке вычислительных методов типа CALPHAD. Термохимические величины, такие, как теплота образования и активность твердого раствора, могут быть измерены экспериментально и затем использованы для расчета расположения границ фаз. В частности, из измерений для трех двойных систем могут быть вычислены границы фаз в соответствующей тройной системе. Этот вид расчетов является весьма плодотворным в физическом металловедении.
ИНСТРУМЕНТАРИЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СПЛАВОВ
До сих пор ничего не говорилось об экспериментальных методах, используемых для получения информации, о которой шла речь выше. Теперь мы обратимся к роли металлургических инструментальных средств в определении природы кристаллической структуры, положения фазовых границ в диаграммах равновесия, деталей перехода порядок - беспорядок и кинетики фазового превращения в легированных сталях при разных температурах. Для удобства методы исследования могут быть разделены на три категории: 1) средства определения кристаллической структуры, 2) средства наблюдения микроструктуры и 3) средства определения локальных изменений состава.
Рентгенография. В рентгенографии используются два метода. В порошковом методе совокупность мельчайших произвольно ориентированных кристаллических частиц облучается монохроматическим лучом. В методе монокристалла небольшой кристалл вращается, подвергаясь при этом облучению монохроматическим рентгеновским лучом, или же остается неподвижным, но облучается лучом, состоящим из волн разной длины; в любом случае, испытав дифракцию, лучи выходят в предпочтительных направлениях. Метод монокристалла используется для определения кристаллической структуры, а также для идентификации ориентации отдельных металлических кристаллов. Порошковый метод применяется для таких целей, как идентификация неизвестных соединений, определения границ фаз в фазовых диаграммах и изучения преимущественной ориентации кристаллических зерен в листах металла. Он применяется также для определения деформаций зерен поликристаллического металлического объекта, причем в качестве масштаба используются интервалы между плоскостями кристаллической решетки. Одним из более сложных приложений этого метода является измерение соотношения в пространственной ориентации между исходной фазой и фазой, образованной из нее при частичном превращении в процессе термообработки.
См. также РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.
Микроскопия. Чтобы исследовать сплав под оптическим микроскопом, от него отделяют некоторую часть и механически или химически шлифуют ее, пока не получится очень тонкая пластинка, называемая шлифом. Затем этот шлиф травится в кислоте или другом реагенте так, чтобы можно было различить разные фазы. Чтобы изготовить шлиф оптимального вида, требуются большой опыт и мастерство. На рис. 7 приведены изображения микроструктур простой углеродистой стали. На рис. 7,а показан перлит, на рис. 7,б - структура мартенсита, а на рис. 7,в - мелкие фракции цементита в отпущенном мартенсите. Эти микрографические изображения хорошо иллюстрируют, что один и тот же сплав в результате той или иной термообработки может приобрести самые разные микроструктуры. Главное применение оптического микроскопа состоит в определении областей фаз в диаграммах равновесия. Сплав подвергается закалке с высокой температуры, затем изготавливается шлиф, который и изучается, чтобы идентифицировать фазы в микроструктуре. Эта идентификация может потребовать также использования других приборов, таких, как рентгеновский микроанализатор, описываемый ниже. За последние несколько десятилетий оптический микроскоп был дополнен двумя приборами, позволяющими различать гораздо более мелкие детали. Разрешающая способность оптического микроскопа ограничена длиной волны видимого света, так что детали, разделенные расстоянием менее 1 мкм, не поддаются разрешению. Просвечивающий электронный микроскоп может улучшить это разрешение в тысячи раз, позволяя различать детали, разделенные расстоянием примерно 0,2 нм. Получаемое изображение либо регистрируется на фотопластинке, либо проецируется на флуоресцентный экран. Растровый электронный микроскоп представляет собой разновидность электронного микроскопа и используется для исследования поверхности твердого тела.
См. также ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП; МИКРОСКОП.
Определение локального состава. Сегодня специалисты в области физического металловедения располагают набором инструментов, которые могут не только производить автоматический анализ того или иного сплава, но также обнаруживать локальные различия в составе микроструктуры. Во всех таких инструментах для получения химической информации используются физические принципы. К указанным инструментам относятся масс-спектрометры вторичных ионов, рентгеновские фотоэлектронные спектрометры, оже-спектрометры и рентгеновские микроанализаторы. В упомянутом анализаторе электронный луч фокусируется на точке шлифа размером порядка 1 мкм. При этом можно получить информацию двух видов. Электроны, испытавшие обратное рассеяние, формируют изображение, как в растровом электронном микроскопе, позволяя различать разные фазы. Кроме того, благодаря торможению электронного луча сплавом происходит генерирование рентгеновских лучей с длинами волн, характерными для конкретного металла, присутствующего в сплаве. Эти длины волн измеряются. Электронный луч может сканировать исследуемую поверхность, а рентгеновские лучи, эмиттированные конкретной длиной волны электрона, могут быть поданы на электроннолучевую трубку, так что изображение поточечного изменения концентрации соответствующего металла может быть выведено на экран.
МИКРОСТРУКТУРА И СВОЙСТВА
Диаграмма равновесия определяет только составы, кристаллические структуры и объемные доли двух или более фаз, находящихся во взаимном равновесии. Форма, размеры и взаимное расположение областей, занятых разными фазами, не определяются уравнением Гиббса или диаграммой равновесия, связанной с этим уравнением. Исследование указанных переменных относится к исследованию микроструктур, которое представляет собой одну из четырех основных задач физического металловедения. Этими задачами являются: 1) исследование равновесия между фазами как функции состава и температуры, 2) исследование геометрии и преобразования микроструктур, 3) соотнесение полезных свойств, в частности механических, с присутствующими в сплаве фазами и их микроструктурным порядком и 4) скорость изменения микроструктуры и составляющих ее фаз в зависимости от температуры сплава и механизм этого изменения. Количественное исследование микроструктур требует измерения переменных величин, таких, как средний диаметр диспергированной фазы (например, иглы в эвтектике на рис. 9), отклонение фазы от сферической симметрии, среднее расстояние между элементами диспергированной фазы, объемные доли двух фаз, а также средняя длина свободного пробега - среднее расстояние, которое точка, движущаяся по прямой линии, проходит между последовательными встречами с диспергированной фазой. Все такие измерения должны быть подвергнуты статистической обработке, и должны быть определены среднее значение и дисперсия. Наука, занимающаяся извлечением этой информации из статистической выборки измерений на двумерных шлифах, называется количественной металлографией, или стереологией. Для формирования статистической совокупности измерений и получения численных результатов из исходных данных используются анализаторы изображений, оснащенные компьютерами. Поэтому анализатор изображения может быстро определить распределение средних диаметров кристаллических зерен, показанных на рис. 1, или средний интервал между пластинами цементита и их среднюю толщину в структуре перлита на рис. 7,а.
Рис. 9. ЭВТЕКТИЧЕСКАЯ МИКРОСТРУКТУРА, полученная направленным отвердеванием и состоящая из игл карбида тантала в никель-хромовой матрице. Изображение получено на растровом электронном микроскопе.
ЛИТЕРАТУРА
Физическое металловедение, в. 1-3. М., 1967-1968 Кауфман Л., Бернстейн Х. Расчет диаграмм состояния с помощью ЭВМ. М., 1972 Приборы и методы физического металловедения. М., 1973-1974 Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах. М., 1978 Диаграммы фаз в сплавах. М., 1986
прил.
1. соотн. с сущ. металловедение, связанный с ним
2. Свойственный металловедению, характерный для него.
металлове́дческий, металлове́дческая, металлове́дческое, металлове́дческие, металлове́дческого, металлове́дческой, металлове́дческих, металлове́дческому, металлове́дческим, металлове́дческую, металлове́дческою, металлове́дческими, металлове́дческом, металлове́дческ, металлове́дческа, металлове́дческо, металлове́дчески
МЕТАЛЛОВИ́ДНЫЙ [ало], металловидная, металловидное; металловиден, металловидна, металловидно (книжн., спец.). Сходный с металлом по внешнему виду.
мета́ллови́дный, мета́ллови́дная, мета́ллови́дное, мета́ллови́дные, мета́ллови́дного, мета́ллови́дной, мета́ллови́дных, мета́ллови́дному, мета́ллови́дным, мета́ллови́дную, мета́ллови́дною, мета́ллови́дными, мета́ллови́дном, мета́ллови́ден, мета́ллови́дна, мета́ллови́дно, мета́ллови́дны, мета́ллови́днее, помета́ллови́днее, мета́ллови́дней, помета́ллови́дней