KONSTRUKCINĖS MEDŽIAGOS

Metalų ir jų lydinių sandara ir savybės

Konstrukcinės medžiagos tai metalai bei jų lydiniai ir nemetalinės medžiagos, naudojamos mašinų ir mechanizmų detalėms, įvairių konstrukcijų elementams gaminti.

Svarbiausia mašinų ir mechanizmų, prietaisų gamybos konstrukcinė medžiaga yra metalai ir jų lydiniai. Jie sudaro 80–90 % visų konstrukcinių medžiagų masės. Didžiausią naudojamų metalų dalį mašinose sudaro juodieji metalai ir lydiniai – ketus, plienas, techninė geležis.

Kiti metalai vadinami spalvotaisiais ir skirstomi pagal įvairius požymius

Svarbiausios spalvotųjų metalų grupės:

1. lengvieji metalai (aliuminis Al, magnis Mg, berilis Be, titanas Ti ir kt.),
2. sunkieji metalai (varis Cu, nikelis Ni, cinkas Zn, alavas Sn, švinas Pb ir kt.),
3. sunkiai lydūs metalai (volframas W, molibdenas Mo, tantalas Ta, vanadis V, cirkonis Zr, chromas Cr ir kt.),
4. lengvai lydūs metalai (galis Ga, kadmis Cd, alavas Sn, švinas Pb, cinkas Zn, bismutas Bi ir kt.),
5. taurieji metalai (auksas Au, sidabras Ag, platina Pt ir kt.),
6. retieji metalai (lantanidai, radioaktyvieji, kai kurie sunkieji ir kt.).

Šiuo metu žinomi 109 cheminiai elementai (periodinė elementų lentelė).

Visi elementai skirstomi į metalus ir nemetalus. Metalais vadinami cheminiai elementai, kurių būdingos žymės yra neskaidrumas, blizgesys, geras šiluminis ir elektrinis laidumas, o daugeliui metalų taip pat būdingas kalumas ir suvirinamumas.
Nuo įvairių savybių priklauso ir skirtingas metalų praktinis panaudojimas.

Geležis paprastai naudojama kaip pagrindinė ketaus ir plieno – geležies ir anglies lydinių sudėtinė dalis.
Varis ir jo lydiniai, pasižymintys dideliu elektriniu ir šiluminiu laidumu, plačiai naudojami elektrotechnikoje, šiluminės technikos detalių gamybai.
Aliuminio lydiniai nepakeičiami lengvų ir stiprių, atsparių korozijai dirbinių gamyboje, nemažai jų yra automobilyje.
Auksas dažniausiai naudojamas papuošalų gamybai, elektroniniuose prietaisuose.
Daugelis kitų metalų (nikelis, chromas, manganas, magnis, bismutas, stibis, vanadis, molibdenas, titanas, kobaltas ir kiti) daugiausia naudojami kaip sudėtinės įvairių lydinių dalys.

Cheminiai elementai Žemės plutoje paplitę labai nevienodai. Pagrindinę Žemės plutos masės dalį sudaro devyni cheminiai elementai: deguonis, silicis, aliuminis, geležis, kalcis, magnis, natris, kalis, vandenilis.

Cheminiai elementai Žemės plutoje paplitę labai nevienodai. Pagrindinę Žemės plutos masės dalį sudaro devyni cheminiai elementai: deguonis, silicis, aliuminis, geležis, kalcis, magnis, natris, kalis, vandenilis.

Šie elementai sudaro apie 99 % viso Žemės plutos svorio. Visų kitų elementų daliai tenka tik maždaug 1 %. Dauguma cheminių elementų gamtoje egzistuoja ne grynu pavidalu, o sudaro įvairius cheminius junginius su kitais elementais (pvz., vandenilis ir deguonis sudaro vandenį, silicis ir deguonis – silicio oksidą, geležis ir aliuminis randami tik junginių – oksidų ar druskų pavidalu). Šie junginiai sudaro daugelį Žemės mineralų bei uolienų. Daugiausia paplitę Žemės plutoje metalai yra – aliuminis (8,2 % plutos svorio) ir geležis (5,8 % plutos svorio). Kadangi jie pasižymi vertingomis bei reikiamomis savybėmis ir Žemėje yra didžiulės šių metalų atsargos, juos gana lengva išgauti, tai jiems tenka pagrindinė vieta metalų pramonėje ir mašinų gamyboje.

Metalų ir lydinių sandara

Visos medžiagos sudarytos iš atomų. Kiekvienas medžiagos (cheminio elemento) atomas yra sudėtinga sistema, susidedanti iš teigiamą krūvį turinčio branduolio ir besisukančių aplink jį neigiamai įkrautų dalelių – elektronų. Atomų branduolių sandara sudėtinga. Juose yra teigiamai įkrautos dalelės – protonai ir dalelės, neturinčios jokio krūvio, – neutronai. Pagrindinė atomo masė sukaupta jo branduolyje. Elektrono masė 1840 kartų mažesnė už protono arba neutrono masę.
Atomo elektronų skaičius lygus protonų, esančių elemento atomo branduolyje, skaičiui. Kiekvieno elemento atomuose šis skaičius skirtingas. Jis nustatomas elemento eilės numeriu periodinėje elementų lentelėje. Elektronai atomuose pagal jų energijos lygį susiskirstę sluoksniais ir posluoksniais. Elektronų skaičius
posluoksniuose ir posluoksnių skaičius sluoksniuose yra ribotas. Pagal išorinių posluoksnių užpildymą ir nuo to priklausančias savybes visi cheminiai elementai skirstomi į keturias grupes.
Pirmoji grupė – elementai, kurių atomų išoriniai posluoksniai visai užpildyti (turi aštuonis elektronus). Jie nelinkę nei atiduoti savo elektronų, nei prisijungti kitų, todėl reakcijose nedalyvauja. Tai inertinės dujos.
Antroji grupė – elementai, kurių atomų išoriniuose posluoksniuose iki visiško 8 elektronų posluoksnyje užpildymo trūksta vieno-dviejų elektronų. Jie linkę trūkstamus elektronus prisijungti ir tapti neigiamaisiais jonais. Tai nemetalai.
Trečioji grupė – elementai, kurių atomų išoriniuose posluoksniuose yra vienas, du, kartais trys elektronai. Jie šiuos elektronus gana lengvai atiduoda ir tampa teigiamaisiais jonais. Tai metalai.
Ketvirtoji grupė – elementai, kurių išoriniuose posluoksniuose yra vidutinis elektronų skaičius. Jie šiuos elektronus lengvai atiduoda arba prisijungia kitus, todėl jų savybės įvairiomis sąlygomis yra skirtingos. Tai pusmetaliai (puslaidininkiai germanis, silicis).

Elektronai dideliu greičiu sukasi apie branduolį apskritiminėmis arba elipsinėmis orbitomis(sluoksniai ir posluoksniai), kurios nuo branduolio yra skirtingu atstumu (7 pav.). Didžiausią įtaką elemento savybėms turi išorinės orbitos elektronai.

Elektronų pasiskirstymas orbitose:

Metaluose išorinėje orbitoje yra tik 1–2 (kartais 3) elektronai, ir metalų atomai, skirtingai nuo nemetalų, savo išorinius elektronus lengvai atiduoda ir pavirsta teigiamai įkrautais jonais.

Tokiu būdu, metalų sandara yra nepaslankių jonų ir supančių juos elektronų, lengvai pereinančių iš vienos orbitos į kitą, derinys. Veikiami vienu metu kelių teigiamai įkrautų jonų, elektronai sudaro lengvai judantį „elektroninį rūką“, kuris yra ryšiu visai metalo masei.

Metalų sandaros schema:

Laisvai judėdami, elektronai sąlygoja tokias būdingas metalų savybes, – elektrinį ir šiluminį laidumą bei plastiškumą.
Tyrimais ir bandymais nustatyta, kad metalų ir jų lydinių sandara kietame būvyje yra kristalinė, tai yra, jų atomai erdvėje išdėstyti tam tikra geometrine tvarka, o ne chaotiškai, kaip amorfinių medžiagų. Kristaliniams kūnams ypač būdingas kristalizacijos procesas, t.y. perėjimas iš skysto būvio į kietą, esant tiksliai apibrėžtai temperatūrai, kuri vadinama kristalizacijos temperatūra, arba lydimosi temperatūra (kaitinant).

Metalo aušinimo (kristalizacijos) kreivė T-kristalizacijos (lydimosi) temperatūra:

Kaitinamas metalas tam tikroje temperatūroje lydosi ir suskystėja. Nustojus kaitinti, skystas metalas pamažu aušta (atkarpa AB), ima stingti, sukietėja (BC atkarpa) (9 pav.). Žemiau šios temperatūros metalas yra kietame būvyje (CD atkarpa).
Stingstančiame metale atsiranda kieto metalo salelių, kurios vadinamos kristalizacijos centrais. Šiuose centruose metalo atomai jungiasi į kristalus kiekvienam metalui būdinga tvarka. Tai vadinama pirmine kristalizacija. Augdami kristalai trukdo vieni kitiems, todėl jie deformuojasi, lūžinėja ir netenka jiems būdingos formos. Šie kristalai vadinami grūdeliais. Metalui auštant lėtai, susiformuoja stambūs grūdeliai, o kietėjant greitai – daug smulkių grūdelių. Stambesnių grūdelių metalas minkštesnis, o smulkesnių – kietesnis. Aušinant metalą skirtingu greičiu, galima suteikti jam įvairias kietumo ir stiprumo savybes. Tai vadinama terminiu metalu apdirbimu.

Mažiausias taisyklingas atomų derinys erdvėje, pasikartojantis medžiagoje bet kuria kryptimi, vadinamas elementariąja gardele. Metaluose dažniausiai sutinkamos trijų tipų elementariosios gardelės: kubinė centruoto tūrio gardelė, žymima KCT (17 metalų: chromo, vanadžio, volframo, geležies kambario temperatūroje ir kt.), kubinė centruoto paviršiaus gardelė KCP (19 metalų: švino, vario, aukso, nikelio aliuminio ir kt.), heksagoninė tanki gardelė HT (27 metalų: berilio, magnio, cinko ir kt.).
Daugumos gardelių atstumai tarp atomų centrų (matmenys a ir c paveiksle) yra nuo 0,2 iki 0,6 nm (nanometrai). Šių gardelių schemos su pažymėtais susiliečiančių atomų centrais parodytos paveikslėlyje:

Metalų elementariosios gardelės: a-kubinė centruoto tūrio KCT, b-kubinė centruoto paviršiaus KCP, c-heksagoninė tanki HT

Pavienės elementariosios gardelės neegzistuoja. Jos įeina į kristalinės gardelės sudėtį, kur turi bendrų atomų su kitomis gardelėmis. Kristalinė gardelė – tai taisyklingas elementariųjų gardelių derinys.
Realūs metalai yra sudaryti iš daugelio įvairiai išsidėsčiusių kristalinių gardelių darinių, vadinamų metalo grūdeliais. Kuo smulkesni grūdeliai, tuo didesnė metalo takumo riba, smūginis tąsumas, mažesnis trapumas.

Metalai yra kristalinės medžiagos, tačiau kai kurie metalai (Fe, Ti, Ni, Co, Sn) turi savybę kietame būvyje keisti savo vidinę sandarą. Ši metalų ir lydinių savybė vadinama antrine kristalizacija arba alotropija.

Grynos geležies aušinimo kreivė A2, A3, A4 alotropinių pakitimų temperatūros; αFe, βFe, γFe, δFe – alotropinės geležies kristalinės gardelės atmainos:

Atomai persigrupuoja ir nauja kristalinė gardelė susidaro tam tikrose temperatūrose. Šių pakitimų temperatūrų žinojimas yra svarbus, nes susidarant naujai kristalinei gardelei, keičiasi metalo ar lydinio savybės.

Kaitinant gryną geležį, jos kristalinė gardelė pasikeičia kelis kartus. Alotropiniai pakitimai geležyje vyksta esant 768°C, 911°C, 1392°C temperatūroms. 1535 (1539)°C tai geležies lydymosi temperatūra, kuri gali būti šiek tiek skirtinga, priklausomai nuo geležies grynumo. Aukščiau paveikslėlyje pavaizduota grynos geležies aušinimo kreivė ir alotropiniai pakitimai. Metalų ir lydinių struktūros kitimai leidžia taikyti įvairius terminio apdirbimo būdus ir plačiose ribose keisti metalo ar lydinio savybes.

Metalų ir lydinių savybės

Įvairios metalų ir lydinių savybės skirstomos į fizines, chemines, mechanines ir technologines.
Fizinės savybės yra spalva, blizgesys, tankis, lydymosi temperatūra, šilumos laidumas, šiluminis plėtimasis, šiluminė talpa, elektrinis laidumas, savybė įsimagnetinti.

Pagal spalvą metalai sąlygiškai skirstomi į juoduosius ir spalvotuosius. Juodieji – tai geležies lydiniai – ketus ir plienas, spalvotieji – visi likusieji.

Tankiu vadinamas medžiagos kiekis (masė), esantis tūrio vienete (kg/m³). Metalai ir lydiniai yra skirtingo tankio. Pvz.: geležies tankis – 7870 kg/m³, aliuminio tankis – 2699 kg/m³, magnio tankis – 1739 kg/m³, osmio tankis beveik 13 kartų didesnis – 22570 kg/m³.

Lydymosi temperatūros visų metalų ir lydinių yra skirtingos. Pvz., alavas lydosi esant 232°C temperatūrai, geležis – 1535°C, o volframas – 3422°C temperatūrai.

Šilumos laidumas

Šilumos laidumu vadinama metalų savybė įvairiu greičiu praleisti šilumą, juos kaitinant ir aušinant. Kuo greičiau metalas praleidžia šilumą, tuo greičiau ir tolygiau jis įkaista, o aušinamas atiduoda šilumą. Didžiausias šilumos laidumas: sidabro – 429 W/m·K, vario – 401 W/m·K, geležies – 80,2 W/m·K, labai mažas titano – 21,9 W/m·K.
Šiluminis plėtimasis – tai metalų savybė plėstis, juos kaitinant. Aušinant vyksta atvirkštinis reiškinys. Šildomi labai plečiasi švinas, kadmis aliuminis, alavas, o volframas, osmis – penkis-šešis kartus mažiau.
Šiluminė talpa – tai metalų savybė sugerti šilumą. Daugelio metalų šiluminė talpa nėra didelė, todėl jiems įkaitinti reikia nedaug šilumos.

Elektrinis laidumas

Elektrinis laidumas – tai metalų savybė praleisti elektros srovę. Dažniausia apibūdinama specifine elektrine varža. Mažiausią elektrinę varžą turi sidabras, varis ir aliuminis, o bismuto, nikelio, chromo elektrinė varža žymiai didesnė. Temperatūrose, artimose absoliutaus nulio temperatūrai, metalų elektrinė varža be galo sumažėja. Tai vadinama superlaidumu.

Kai kurie metalai ir lydiniai turi magnetines savybes – geležis ir jos lydiniai, kobaltas, nikelis, samaris. Kiti metalai ir jų lydiniai praktiškai nemagnetiški.

Mechaninės savybės

Mechaninės savybės pasireiškia veikiant įvairioms jėgoms ir apkrovoms. Tai stiprumas, tamprumas, plastiškumas, kietumas, smūginis tąsumas, patvarumas.

Stiprumas – tai savybė priešintis išorinių jėgų poveikiui nesuyrant. Įvertinamas stiprumo riba tempiant, gniuždant, lenkiant, sukant. Labai stiprūs metalai – molibdenas, volframas, o alavo, švino stiprumas tempiant labai mažas.

Tamprumu vadinama metalų savybė sugrįžti į pradinę padėtį nustojus veikti išorinėms deformuojančioms jėgoms.

Plastiškumu vadinama metalo savybė keisti savo formą nesuyrant, kai jį veikia apkrova, ir išlaikyti nesikeičiančią formą po to, kai apkrova nustoja veikusi. Priešinga plastiškumui savybė – trapumas.

Kietumas – tai metalo savybė priešintis įspaudimui į jį kito, kietesnio kūno. Nuo kietumo priklauso galimybė panaudoti metalą įvairioms detalėms ir įrankiams gaminti. Kuo kietesnis metalas, tuo daugiau reikia jėgos jam apdirbti.

Smūginis tąsumas tai metalo pasipriešinimas smūginių apkrovų veikimui.

Lentelė. Kai kurių metalų fizinės ir mechaninės savybės HB-kietumo vienetai pagal Brinelį (pagal BOSCH Automotive handbook)

Daugeliui detalių labai svarbios yra metalų ir lydinių, iš kurių jos pagamintos, mechaninės savybės. Jos nustatomos atliekant specialius bandymus. Tam tikros formos ir matmenų bandiniai tempiami, gniuždomi, lenkiami arba susukami matuojant veikiančias apkrovas ir bandinių pokyčius iki suirimo. Taip nustatomas metalų stiprumas, plastiškumas, tamprumas. Medžiagų kietumas nustatomas trimis būdais: fiksuoto dydžio jėga įspaudžiant į bandomą paviršių plieninį grūdintą rutuliuką (pagal Brinelį), deimantinįkūgį (pagal Rokvelą) arba deimantinę piramidę (pagal Vikersą). Kietumas įvertinamas pagal įspaudų matmenis. Tarp skirtingais
būdais nustatytų kietumo reikšmių nėra tiesioginės priklausomybės. Vieni kietumo vienetai į kitus perskaičiuojami iš lyginamųjų lentelių. Smūginis tąsumas (atsparumas smūginėms apkrovoms) nustatomas smogiant švytuokliniu muštuvu į specialų bandinį pagal suardymui sunaudotą darbą

Technologinės savybės tai metalų sugebėjimas pasiduoti įvairiems apdirbimo būdams.

Iš technologinių savybių ypač svarbios apdirbamumas pjovimu, suvirinamumas, kalumas, takumas išlydytame būvyje, atsparumas dilimui, grūdinamumas.

Kai kurių metalų fizinės ir mechaninės savybės pateiktos aukščiau lentelėje.

Plieno klasifikacija, žymėjimas

Lietuvoje galioja standartas LST EN 10027-1:1997. Pagal jį visi plienai skirstomi į dvi pagrindines grupes: 1 grupė – plienai, žymimi pagal paskirtį ir mechanines savybes (dar skirstomi į penkis pogrupius), 2 grupė – plienai, žymimi pagal cheminę sudėtį (skirstomi į keturis pogrupius).

1 grupė:
Plienai žymimi simboliais ir nurodoma mažiausia takumo riba N/mm²:

a)

S – konstrukcinis plienas (statybinis), pvz., S135, S235JR;
P – plienas slėginiams indams;
L – plienas magistraliniams vamzdynams;
E – plienas grūdinamoms mašinų detalėms, pvz., E360;

b)

B – armatūrinis plienas;

c)

H – šaltai valcuotas stiprus lakštinis plienas, skirtas šaltajam štampavimui;

d)

D – lakštinis plienas, skirtas šaltajam štampavimui;
C – plienas šaltai valcuotiems gaminiams;
X – plienas gaminiams, kurių valcavimo sąlygos nenurodytos;

e)

M – elektrotechninis plienas.

2 grupė:
a) Nelegiruotas plienas (išskyrus automatų plieną), žymimas raide C ir nurodomas anglies kiekis šimtosiomis procento dalimis, pvz., C45, C22 ir kt.

b) Mažai legiruotas plienas, žymimas skaičiumi, rodančiu anglies kiekį šimtosiomis procento dalimis, cheminiais simboliais, rodančiais legiruojančius elementus, skaičiais, rodančiais legiruojančiųjų elementų kiekį (pagal koeficientus), pvz., 13CrMo4-5.

c) Labai legiruoti plienai žymimi raide X, skaičiumi, rodančiu anglies kiekį šimtosiomis procento dalimis, cheminiais legiruojančiųjų elementų simboliais ir skaičiais, rodančiais legiruojančiųjų elementų kiekį procentais, pvz., X20Cr13, X10CrNiTi18-10

d) Greitapjoviai plienai, žymimi raidėmis HS, skaičiais, rodančiais legiruojančiųjų elementų procentinį kiekį, pvz., HS6-5-2 (6 %W , 5 % Mo, 2 % V, 4 % Cr, 0,8 % C).

Pagal EN 10025-1 standartą konstrukciniai plienai būna bendrosios paskirties, kokybiškieji ir labai aukštos kokybės. Markės pabaigoje rašomos raidės: JR, JRG1, JRG2, J0, J2G4, K2G3, K2G4. Raidė G rodo plieno plastiškumą, J ir K parodo smūginį tąsumą, R raidė arba skaičiai rodo, kuriai temperatūrai esant buvo atliktas smūginio tąsumo bandymas.