СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

В твердых телах, к которым относятся и металлы, атомы по-разному располагаются в пространстве:

— беспорядочно, т. е. для каждого атома нет строго опре­деленного места относительно других атомов. Такое строение типично для аморфных веществ, которые формально при­надлежат к твердым телам, поскольку могут сохранять объ­ем и форму, но у них отсутствует определенная температура плавления и кристаллизации;

— упорядоченно, когда атомы находятся на конкретных местах. Такой принцип размещения атомов встречается у твер­дых веществ. Если центры атомов соединить гипотетическими прямыми линиями, можно образовать пространственную ре­шетку, которая называется кристаллической. Несмотря на то что отдельные атомы в результате диффузии могут менять свое ме­сторасположение, покидая узлы решетки, в целом упорядочен­ность кристаллического строения остается неизменной.

Для разных металлов характерен определенный тип кри­сталлической решетки, образуемой малоподвижными ионами с положительным зарядом, между которыми перемещаются отрицательно заряженные частицы — свободные электроны. Последние образуют явление, называемое электронным га­зом. Именно он обеспечивает пластичность, тепло - и электро­проводность металлов.

Твердые кристаллические тела, в частности металлы, имеют структуру, состоящую из кристаллических зерен, ко­торые называются кристаллитами. В расположенных рядом зернах кристаллические решетки находятся под некоторым углом друг к другу.

Для соединения двух металлов важно, чтобы между их кристаллическим строением и размером атомов наблюда­лось определенное соответствие. Это означает, что для свар­ки наилучшими являются условия, при которых металлы будут иметь одинаковые или однотипные кристаллические решетки с примерно схожими параметрами и близкими по размеру атомами.

Металл, находясь в твердом состоянии, обладает энер­гетически стабильным кристаллическим строением, при этом атомы или их группировки обладают минимальным количеством свободной энергии. Перемена температурных условий (нагрев или охлаждение) влечет за собой энерге­тические изменения в состоянии атомов, что, в свою оче­редь, приводит к перестройке их расположения относи­тельно друг друга и изменению свободной энергии. Такое положение возможно до определенных температур, при которых металл сохраняет свою кристаллическую структуру. Дальнейший подъем температуры доводит энергетическое состояние атомов до состояния, характерного для жидко­сти. Продолжающееся ее повышение заканчивается тем, что кристаллическая решетка начинает разрушаться, хотя при этом могут оставаться отдельные комбинации атомов относительно тех атомов, которые расположены в соот­ветствии с прежними закономерностями. Но они не отли­чаются стабильностью, поскольку одновременно идет про­цесс разрушения одних группировок и образование других. Именно они при охлаждении металла превращаются в цен­тры кристаллизации. От их количества зависит, насколько крупными будут кристаллы, возникающие при изменении состояния металла, т. е. при переходе его из жидкого со­стояния в твердое (этот процесс называется перекристал­лизацией).

Нагревание или охлаждение металла, находящегося в твердом состоянии, может приводить к смене одного вида кристаллической решетки другим. Это явление называется аллотропическим превращением и осуществляется по за­конам кристаллизации. Такие металлы, как железо, олово и др., при нагревании до определенной температуры, которая называется критической точкой, после охлаждения и затвер­девания способны образовывать кристаллические решетки разной формы. Например, критической температурой для чистого железа (так называемое а-железо) является 910° С (температура плавления — 1500° С), по достижении которой атомы в пределах кристаллической решетки перестраивают­ся. В результате образуется другая модификация — у-железо, которое по своим свойствам отличается от первого, в част­ности оно лишено магнитных свойств и может растворять углерод.

При перекристаллизации строение металла тоже изменя­ется. Данный процесс относится к тем факторам, от которых зависят кристаллическая структура, зернистость и свойства металлов. Кроме того, он может исправить неблагоприятное строение, сформировав более мелкозернистую структуру.

Таким образом, условия плавления металла имеют боль­шое значение для процесса кристаллизации и определяют свойства металла сварного шва.

Металлы обладают рядом свойств, которые отличают их от других материалов и веществ. На основании этого они под­разделяются на четыре основные группы:

— физические (цвет, плотность, плавкость, а также тепло - и электропроводность, теплоемкость, способность на­магничиваться);

— химические (жаропрочность, окалиностойкость, жа­роупорность, коррозионная устойчивость);

— механические (упругость, прочность, твердость, плас­тичность, ударная вязкость);

— технологические (свариваемость, ковкость, текучесть, обрабатываемость резанием, прокаливаемость).

Для сварочной практики наиболее важными являются механические и технологические характеристики металлов, поэтому на них следует остановиться более подробно.

Прочность представляет собой способность металла со­противляться внешнему воздействию и при этом не разру­шаться.

Для определения прочности металла имеются специаль­ные средства, в частности разрывные машины, обладающие различной мощностью. При испытании того или иного образца на разрыв наступает момент, когда металл продолжает удли­няться, хотя нагрузка на него не возрастает. Отношение такой нагрузки к поперечному сечению образца — предел текучести. При дальнейшем увеличении нагрузки образец разрывается. Напряжение, при котором это происходит, называется преде­лом прочности, или временным сопротивлением материала.

Свойство металла под воздействием нагрузки изменять свою форму, а после прекращения воздействия восстанав­ливать ее называется упругостью. А если он изменяет форму под влиянием на него той или иной нагрузки, но при этом не разрушается, а после ее устранения сохраняет придан­ную форму, то такая его способность называется пластич­ностью. Этот параметр важен для металла сварного шва, который проходит испытание на загиб. По величине угла загиба судят о пластичности шва: чем он больше, тем выше пластичность.

Способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела называется твердостью. Она про­веряется в процессе различных испытаний, каждое из кото­рых имеет определенное название, в частности:

— твердость по Бринеллю;

— твердость по Виккерсу;

— твердость по Роквеллу.

В ходе проверки металл испытывается вдавливани­ем шарика (диаметром 2,5, 5 или 10 мм), изготовленного из твердой стали, вершины алмазной пирамиды и вершины алмазного конуса (угол — 120°) соответственно.

По тому, насколько металл способен сопротивляться ударным нагрузкам, судят о его ударной вязкости. В свароч­ном производстве это основной параметр наплавленного металла и сварного соединения. Чем выше ударная вязкость металла сварного шва, тем он работоспособнее, тем большую нагрузку он состоянии выдержать.

Помимо названных параметров, металл тестируют на усталость и истирание. Первый показатель важен для уста­новления выносливости материала в условиях многократно сменяющихся нагрузок, а второй — для металлов тех деталей и изделий (например, подшипников и др.), которые в процес­се эксплуатации подвергаются трению.

Технологические свойства металла важны в тех случаях, когда стоит задача — решить, является ли данный металл при­годным для изготовления из него той или иной детали, кон­струкции и пр. Для этого берут технологические пробы, неко­торые из которых имеют определенные стандарты, например пробы на осадку в холодном состоянии, на загиб и т. д.

По своему составу металлы бывают черными (в эту группу входят железо и сплавы, полученные на его основе, т. е. чугун и сталь) и цветными (остальные металлы и сплавы).

В промышленности находят применение не только метал­лы в чистом виде (они называются простыми, если не имеют в своем составе легирующих компонентов), но и сложные ве­щества, полученные в процессе сплавления. Они называются сплавами и классифицируются на основе разных признаков:

— по составу (содержанию легирующих веществ). Спла­вы бывают низко-, средне - и высоколегированными, если со­держат менее 2%, от 2,5 до 10% или более 10% легирующих веществ соответственно;

— по количеству компонентов (химических элементов в составе сплава). На основании этого параметра различают­ся двух-, трех - и более компонентные сплавы;

— по степени чистоты (это относится и к металлам). Раз­личаются сплавы от пониженной, средней, повышенной и вы­сокой чистоты до особо чистых.

Качественное выполнение сварочных работ невозмож­но без учета свойств металлов и сплавов.