4.1. Основные виды дефектов в металлах.

При оперативном обследовании потенциально опасных объектов и выяснении причин аварий необходимо обнаружить дефекты в конструкционных материалах и выяснить причины их появления. Обнаружить дефекты различной физико-химической природы непосредственно в эксплуатационных условиях позволяют’ многочисленные методы неразрушаюшего контроля, основанные на; различных физических принципах.

По происхождению дефекты в металлах подразделяют на производственно-технологические, возникающие при отливке, прокате, ковке, термической и других видах обработки, сварке, пайке, клепке, неправильной сборке, и эксплуатационные, возникающие вследствие появления дополнительных нагрузок, ударов, вибрации, перепада температур, а также коррозии,; изнашивания, старения. Анализ дефектов сталей дан в ГОСТ 10243-; 82 и ГОСТ 8233-56. Рассмотрим основные из них.

К дефектам плавки и .литья относятся неметаллические (шлаковые и флюсовые) включения, образующиеся вследствие загрязнения шлаками, продуктами раскисления, огнеупорами. Эти включения имеют неправильную форму и расположены в различных местах отливки. При обработке давлением включения деформируются в направлении волокна.

При кристаллизации из-за выделения газов, растворившихся металле в процессе плавки, возникают газовые пузыри. Эти дефекты рассеяны по всему объему слитка или сосредоточены в подкорковом слое. При обработке давлением пузыри могут завариваться или, запрессовываться. При нагреве запрессованный пузырь может вздуться и обнажиться в виде трещины.

В процессе кристаллизации отливки возникают усадочные раковины. Часть слитка с усадочными раковинами, как правило; удаляется. Результатом неправильной технологии литья являются неслитины — несплошности в металле у поверхности слитка. Частым, дефектом металла является ликвация — неоднородность отдельны участков металла по химическому составу, структуре, неметаллическим включениям. Ликвация может быть точечной, пятнистой, в виде квадрата или круга. При этом сплошность металла не нарушена, однако прочность его существенно снижается.

Под действием термических и усадочных напряжении высоких температурах образуются межкристаллические горячие трещины с сильно окисленными поверхностями. Эти трещины часто бывают в виде трех и более извилистых, паукообразных полосок, направленных от оси заготовки в стороны. После окончания затвердевания металла, при относительно низких температурах под действием усадочных и термических напряжений могут возникнут холодные трещины со светлыми неокисленными поверхностями. Вероятность образования таких трещин выше у высоколегирован­ных сталей и сплавов, обладающих низкой температуропровод­ностью и меньшей пластичностью.

При обработке давлением в поковке появляются поверхностные трещины и внутренние разрывы в результате высоких напряжений деформации. Эти трещины появляются в областях металла, ослабленных литьевыми дефектами. В процессе прокатки металла на поверхности появляются риски, царапины, а в результате деформирования газовых пузырьков — дефекты в виде тонких прямых линий длиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров (волосовины). Если в слитке имелись крупные газовые пузырьки, то в прокате появляются расслоения — внутренние нарушения сплошности металла.

При прокате по краям слитка могут возникнуть закаты металла, рванины. Одним из часто, встречающихся дефектов являются флокены — тонкие извилистые трещины длиной от 1 до 30 мм, ориентированные беспорядочно. Их образование связано с выделением растворенного в металле водорода.

При термической обработке из-за несоблюдения температурного режима возникает перегрев или пережог, в результате которого образуются крупнозернистые структуры, оксидные и

сульфидные выделения по границам зерен. Эталонные и другие термические трещины возникают при резком нагреве и охлаждении.

При нагреве изделий в зависимости от среды может происходить как обезуглероживание, так и науглероживание поверхностного слоя. В обезуглероженном слое возникают поверхностные трещины глубиной до 1-2 мм. Науглероживание ведет к повышению хрупкости и склонности к трещинообразованию.

Насыщение водородом поверхностных слоев под воздействием щелочей, кислот и электрохимической обработки приводит к резкому падению пластичности и хрупкому разрушению, очагом которого являются поверхностные микротрещины.

4.2. Методы неразрушаемого контроля конструкционных материалов.

Дефекты в металле становятся причиной изменения физических характеристик: плотности, электропроводимости, магнитной проникаемости, упругих и других свойств. Исследование этих свойств и с помощью обнаружении дефектов составляет физическую основу методов неразрушаешего контроля.

Основные требования:

• достоверность и объективный контроль измеряемого параметра;

• воспроизводим ость результатов измерения;

• ограниченное время проведения анализа;

• оптимальный вес и транспортабельность приборов;

• скорость подготовки объекта к исследованию;

• сопоставимость результатов анализа объекта с результатами образцов;

• проведение экспертизы средним техническим персоналом;

• оперативность выдачи результатов обследования в форме отчета с помощью принтера,

• надежность в эксплуатации,

• взрывобезопасное исполнение.

Промышленностью выпускается широкий ассортимент приборов неразрушающего контроля и исследования состояния и свойств материалов и оборудования:

• переносные анализаторы химического состава металлов,

• переносные микроскопы,

• портативные наборы д. ч измерения геометрических параметров,

• Толщиномеры,

• эндоскопы для визуального обследования внутренних поверхностей,

• приборы термовидения с дистанционным обследованием объекта,

• дефектоскопы для обнаружения дефектов в материалах,

• портативные приборы для измерения твердости,

• переносные приборы для измерения шероховатости. Общие требования к средствам неразрушающего контроля

изложены в стандартах: 21104-86, 21105-90, 23480-89, 23483-89, 23479-89, 20426-82, 20415-82, 18442-86. В стандартах установлена возможность применения конкретных видов неразрушающего контроля.

ГОСТы: 7512-88, 23702-90, 23764-88, 25113-90 регламентируют основные потребительские характеристики средств неразруша­ющего контроля, их комплектность, правила приемки, упаковки и другие требования.

Конкретные требования к методикам поверки и образцовой аппаратуре устанавливаются стандартами (ГОСТ 8.452-S2), а также техническими условиями на конкретные средства неразрушающего контроля.

Согласно ГОСТ 18353-79 методы неразрушающего контроля тарифицируют по видам: акустические, магнитные, оптические, проникающими веществами, радиационные, радиоволновые, тепловые, электрические, электромагнитные. Каждый вид представляет собой условную группу методов, объединенных общностью физических характеристик.

Акустические методы основаны на регистрации параметров других колебаний, возбужденных в исследуемом объекте. Эти методы применяют для обнаружения поверхностных и внутренних дефектов (нарушений сплошности, неоднородности структуры, межкристаллитной коррозии, дефектов сварки, пайки, склейки) в изделиях, изготовленных из разнообразных материалов, а также для наблюдения за динамикой их развития. Они позволяют измерять геометрические параметры при одностороннем доступе к объекту, а также физико-механические свойства материалов без их разрушения. Применение акустических методов регламентировано следующими стандартами:

Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения.

Контроль неразрушающий. Методы акустические. Общие требования.

Сталь. Методы ультразвукового контроля. Общие требования.

Контроль неразрушающий. Швы сварные. Методы ультразвуковые.

Контроль неразрушающий. Трубы металлические бесшовные цилиндрические. Методы ультразвуковой дефектоскопии.

Прутки и заготовки круглого и квадратного сечения. Ультразвуковой контроль эхо-методом.

Сталь толстолистовая. Методы ультразвукового контроля.

Соединения сварные стыковые и тавровые арматуры железобетонных конструкций. Ультразвуковые методы контроля качества. Правила приемки.

Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые.

Контроль неразрушающий. Соединения паяные. Ультразвуковые методы контроля качества.

Контроль неразрушающий. Поковки из черных и цветных металлов. Методы ультразвуковой дефектоскопии.

Рекомендации к техническими условиям на ультразвуковой .контроль многолистового проката и биметалла толщиной от 8 до 160 мм. — М.: НИИХИММАШ, Дончермет, 1972.

Рекомендации по ультразвук- эому контролю водородных дефекто.в. — М.: ВНИИнефтемаш, 1992.

Приборы ультразвулового контроля должны быть сертифицированы и удовлет ворять требованиям:

ГОСТ 23667-85. Контроль неразрушающий. Дефектоскопы ультразвуковые. Методы измерения основных параметров.

ГОСТ 23702-90. Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразву­ковые. Основные параметры и методы их измерений.

ГОСТ 26266-90. Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразву­ковые. Общие технические требования.

В зависимости от частоты акустические волны подразделяют на инфракрасные — с частотой до 20 Гц, звуковые (от 20 до 2 10^Гц ультразвуковые (от 2* 10′ до КГ Гц) и гиперзвуковые (свыше 10» Гц Ультразвуковые дефектоскопы работают с УЗК от 0,5 до 10 МГц.

Упругие волны характеризуются следующими параметрами длиной, частотой, скоростью распространения, амплитудой волны акустическим давлением, смешением, скоростью и ускорение* частиц среды, энергией волны.

Для обнаружения различных дефектов применяют различные схемы прозвучивания. В зависимости от назначения, метод диагностирования, объекта и дефектов применяют различны преобразователи (датчики излучения и приема ультразвуковых волн). Пьезоэлектрические датчики различаются формой, направленностью ультразвуковой волны. Для проверки приборов и контроля точности используют стандартные образцы. Порядок утверждения применения стандартных образцов в ультразвуковой дефектоскопии, методы и средства поверки ультразвуковых дефектоскопе изложены в РД: 50-263-81, 50-337-82 , 50-365-83, 50-407-83. Для наглядности и большей информативности результаты звукового анализа дефектов в материале применяют методы ультразвуковой интроскопии, основанные на преобразовании полу акустических сигналов в оптическое, изображение на экране дисплея (интегральные методы получения изображений, сканирование фокусирующими преобразователями, стробоскопические эффекты, методы вычислительной томографии, голографические методы и др.) Акустические методы подразделяют на активные, основанные излучении и приеме волн (теневой, резонансный, эхо импульсный, велосиметрический методы), и пассивные, основанные на прием колебаний волн исследуемого объекта (акустической эмиссии и виброшумодиагностические методы).

Теневой метод основан на уменьшении амплитуды прошедшей волны под влиянием дефекта.

Временной теневой метод основан на запаздывании импульса вызванного огибанием дефекта.

Зеркально-теневой метод основан на ослаблении сигнала отраженного от противоположной поверхности изделия (донный эффект).

Велосиметрический метод основан на изменении скорости других волн при наличии дефекта.

Эхо-методы основаны на регистрации эхо-сигналов от дефектов зеркальном эхо-методе импульсы отражаются от дефектов ориентированных вертикально к поверхности, с которой ведется контроль.

Дефекты стальных металлических конструкций — виды

Металлоконструкции, созданные на сварных и/или резьбовых соединениях, широко применяются в строительстве. Их использование позволяет упростить и ускорить сооружение несущих каркасов зданий, устройство кровель и фасадов, возведение мостов, создание малых архитектурных форм.

Металлоконструкции разделяют на стальные, предназначенные для восприятия серьезных нагрузок, и легкие из алюминиевых сплавов, применяемые в ограждающих элементах и при проведении отделочных работ. Качество создания и монтажа стальных несущих металлоконструкций регламентируют ГОСТы, ОСТы, СНиПы, СП.

Дефекты и повреждения стальных конструкций

Несоблюдение норм проектирования, нарушение правил создания и монтажа металлоконструкций приводят к отклонениям от проектных геометрических характеристик и нормативных параметров качества. Такие несовершенства, определяющие начальное состояние конструкции, называют дефектами.

В процессе эксплуатации металлоконструкции могут получить повреждения. Причины их появления: дефекты создания и монтажа, нарушение стандартных правил эксплуатации или оба этих фактора одновременно. Повреждения развиваются постепенно. Интенсивность этого процесса зависит от начального состояния конструкции, длительности эксплуатации, характера и силы внешних воздействий.

Выявить дефекты и повреждения металлических конструкций позволяет экспертиза, правила проведения которой регламентирует СП 13-102-2003.

Виды дефектов и повреждений

Дефекты и повреждения металлических конструкций по виду условно разделяют на следующие группы:

• Отсутствие части поперечного сечения, предусмотренного проектной документацией, или ослабление последнего из-за его замены при создании, установке, использовании конструкции. Поперечное сечение также ослабляют абразивный износ и коррозионные процессы. Характеристикой ослабления поперечного сечения является отношение фактической площади сечения к проектной.
• Прогиб элемента по длине. Одна из характеристик этого несовершенства – отношение прогиба к длине элемента.
• Трещины в теле металлических конструктивных элементов, сварных швах и околошовныхучастках. Продольные трещины характеризуются длиной, поперечные – отношением ослабленной площади к предусмотренной проектом или отношением длины трещины к ширине пораженного конструктивного элемента.
• Некачественные сварные швы. В перечень этих дефектов входят отсутствующие или неполномерные швы, а также изготовленные с нарушением технологических правил.
• Локальное искривление или вмятина. В этом случае измеряются длина или площадь искривленного участка.
• Отсутствие или ослабление крепежных деталей – резьбовых или заклепок. Дефект характеризуется отношением ослабленного или отсутствующего крепежа к его общему количеству.
• Смещение металлоконструкции относительно проектного положения. Характеризуется величиной смещения.
• Смещение элементов конструкции друг относительно друга. Измеряется значением взаимного смещения.
• Не предусмотренные в проекте зазоры в местах сопряжения элементов. Дефект характеризуется величиной зазора.
• Дефекты и повреждения лакокрасочного защитного покрытия металлоконструкций. Характеризуются площадью поврежденного антикоррозионного покрытия.
• Коррозионное разрушение тела элементов металлоконструкций и наплавленного металла. Измеряется толщиной слоя, поврежденного коррозией.

Разновидности основных дефектов и повреждений металлических конструкций по характеру и причинам возникновения

По характеру и причинам появления дефекты и повреждения металлоконструкций, находящихся в эксплуатации, разделяют на несколько групп.

Конструктивные

Эти дефекты возникают из-за ошибок в проектировании в случаях, если не были учтены все вероятные нагрузки, возможность изменения их величины, характера и/или направления во время эксплуатационного периода, вероятность колебаний температурного режима и влияния агрессивных сред. На эксплуатационные характеристики металлоконструкций негативно влияют недолговечные конструктивные и защитные материалы, заложенные в смете.

Производственно-строительные

Изготовление металлоконструкций осуществляется в заводских условиях или непосредственно на строительной площадке. В первом случае качество подготовительных, сварочных работ и мероприятий по нанесению антикоррозионных покрытий значительно выше.

Причинами дефектов и поврежденийна стадиях производства и монтажа металлоконструкций могут стать использование низкокачественных материалов, отклонение от допустимых проектных значений в ходе монтажа, проведение сварочных работ с нарушением технологических правил.

Производственно-строительные несовершенства металлоконструкций могут быть связаны снизким качеством антикоррозионного покрытия, частые дефекты лакокрасочного слоя:

• Кратеры – маленькие отверстия в окрашенном слое. Возникают из-за плохой подготовки поверхности, несоответствия типов растворителя и краски, слишком толстого окрашивающего слоя, присутствия в ЛКМ частиц или масел.
• Распространенный вид брака, при котором поверхность напоминает апельсиновую кору. Причина этого дефекта – нарушение технологических правил покраски металлоконструкций.
• Возникает из-за плохой подготовки поверхности и лакокрасочного материала, загрязнения сжатого воздуха при пневмораспылении.
• Появляется из-за неправильно подобранных вязкости ЛКМ и растворителя, нарушения технологических режимов нанесения и отверждения покрытия.
• Возникают на вертикальных и наклонных участках из-за некачественной подготовки поверхности, слишком высокой или низкой вязкости ЛКМ, неправильно выбранного давления воздуха при пневмораспылении, слишком маленького расстояния между краскораспылителем и поверхностью.

Эксплуатационные

Эксплуатационные повреждения возникают из-за ряда факторов, к которым относятся:

• Изменения во время эксплуатации условий окружающей среды. На целостность и долговечность конструкции отрицательно влияет длительное или периодическое воздействие высокотемпературных сред (воды, пара), агрессивных кислых или щелочных сред.
• Активное протекание коррозионных процессов из-за отсутствия своевременных антикоррозионных мероприятий.
• Приложение нагрузок, не предусмотренных проектом и приводящих к деформациям и утрате устойчивости металлоконструкций.

Разновидности повреждений в зависимости от вызывающих их воздействий

Воздействия, вызывающие появление повреждений, разделяют на следующие группы:

Механические (силовые)

Повреждения от силовых воздействий возникают в случаях, если на стадии проектирования были неправильно рассчитаны вероятные внешние нагрузки и внутренние усилия и, как следствие, неправильно подобраны сечения элементов. Еще одна возможная ошибка – неграмотное решение конструктивных узлов. Характерные признаки дефектов металлоконструкций, возникших из-за таких просчетов: трещины в теле элементов и сварных швах, ослабление резьбовых и клепочных соединений, искривления, локальные прогибы, абразивный износ и, как следствие, утрата устойчивости металлоконструкции.

Механические повреждения могут возникнуть из-за изменения по сравнению с проектными: сечений элементов, размерных характеристик сварных швов, количества и/или типа крепежных элементов. Причинами их появления также являются нагрузки при эксплуатации, превышающие проектные величины, нарушение при монтаже взаимного расположения металлоконструкций, резкие и сильные удары. Механические повреждения вызывают: вырезка отверстий, не предусмотренных в проектной документации, и удаление проектных связующих элементов.

Конструкции, на которые воздействуют динамические нагрузки (подкрановые балки, балки рабочих площадок), подвергаются усталостным повреждениям. Для них характерно появление трещин в основном металле, сварных швах и на околошовных участках, ослабление или полное разрушение заклепочных и резьбовых соединений.

Температурные

Высокотемпературное воздействие приводит к короблению элементов, повреждению антикоррозионных покрытий, отрицательные температуры – к появлению хрупких трещин.

Повреждения от высоких температур чаще всего возникают в металлоконструкциях, эксплуатируемых в горячих цехах. В таких конструкциях обычно предусматривают подвижные связи, способные свободно перемещаться при изменениях температурного режима. Если такие подвижные связи отсутствуют, то в конструкциях появляются дополнительные напряжения циклического характера. Они приводят к образованию трещин и искривлению отдельных элементов. При температурах +100°C разрушаются антикоррозионные покрытия, а при +300…+400°Cпроисходит коробление элементов малой и средней толщины.

Повреждения, вызванные отрицательными температурами, обычно возникают в стальных конструкциях, эксплуатируемых на открытом пространстве или в неотапливаемых помещениях. Особенно опасно резкое охлаждение. Часто хрупкие трещины при низких температурах появляются в металлоконструкциях, изготовленных из кипящих сталей.

Химические и электрохимические

В результате химических и электрохимических воздействий происходит коррозионное разрушение стали, повреждение антикоррозионных покрытий. Для стальных конструкций, используемых на объектах производственного назначения, характерна электрохимическая коррозия.

Коррозионные повреждения разделяют на следующие группы:

• Общие равномерные и неравномерные. Располагаются по всей поверхности конструкции. Уменьшают толщину элементов и повышают внутренние напряжения.
• Имеют вид язв, питтингов, сквозных отверстий. Значительно повышают внутренние концентрации напряжения, приводящие к хрупкому разрушению металлоконструкций при резких механических воздействиях и отрицательных температурах.

Решением проблемы появления и развития повреждений металлоконструкций является их усиление путем увеличения площади сечения элементов, использования дополнительных связей или изменением конструктивных схем.

9) Основные дефекты прокатного и кованного металлов

1 Трещины штамповочные, напряжения (одиночные, групповые, беспорядочные, идущие в опред. направлении)

2 Флокены

3 Волосовины (мелкие трещины, образ. при выделении газовых пузырей или немет-их включений. В поперечном шлифе видны как точки)

4 Расслоения (газовые скопления в мет-ле. После прокатки удлиняются и утоньшаются)

5 Внутренние разрывы (крупные нарушения сплошности заготовки, повторяющиеся по длине, хар-но для высоколегир.сталей)

6 Рванины (разрывы или надрывы мет-ла с рваными краями)

7 Скворечник (раскрывшаяся при деформации крупная поперечная трещина в слитке или заготовке)

8 Закаты и заковы (вдавленные и закатанные заусеницы или завышенности на пов-ях)

9 Плены (при литье, тонкие отслоения пов-ти прокатного (кованного) мет-ла)

10 Прижоги (появляются при клеймении металла)

10) Дефекты, возникающие при термической обработке деталей

Термическая обработка – нагрев и последующее охлаждение металлов и сплавов по определенному закону и направлена на изменение их свойств в результате изменения внутренней структуры. Цель – снятие внутренних напряжений

Дефекты термической обработки: пятна на поверхности; обезуглероживание; отклонение структуры и свойств сплавов; микро- и макротрещины.

Дефекты при отжиге и нормализации:

— Окисление (окалина) – это угар (потери металла)

— Обезуглероживание – выгорание углерода (снижает прочность, закалочные трещины)

— Перегрев – снижаются пластические свойства стали (рост зерен). Исправление: отжиг и нормализация.

— Пережог металла – длительное пребывание в печи металла (неисправимый брак)

Дефекты при закалке:

— Резкое изменение сечения. Неопределенность направления, извилистая форма

— Закалочные трещины – разрывы металла, возникающие в металле, в основном сложной формы из-за высоких внутренних напряжений (неисправимо)

— Деформация и коробление – связаны с неравномерным структурными превращениями, которые приводят к внутренним напряжениям. Нагрев и охлаждение – равномерно

— Мягкие пятна – участки на поверхности пониженной твердости

11) Дефекты, возникающие при механической обработке деталей

Механическая обработка: прокат, отливка, поковка, штамповка.

Дефекты при механической обработке:

-микротрещины

-прижоги и мелкие трещины

-трещины при правке, рихтовке, монтаже

Шлифовальные трещины – группа мелких или тонких разрыв на поверхности (высокоуглеродистые, легированные стали) из-за неправильного режима обработки и вследствии перегрева

12) Виды соединения деталей. Схема зон сварного соединения (качественная) и изменения температуры в зоне термического влияния

Виды соединения:

— подвижные (резьбовые соединения и шайбы)

— неподвижные: разъемные и неразъемные (варка, пайка, клейка, клепка)

Рис. 2. Схема зон сварного соединения:

1 – граница раздела между швом и основным металлом, 2 – смешанная зона расплавлении

основного и присадочного металла; 3 – зона полного расплавления основного металла;

4 – зона частичного расплавления основного металла; 5 – истинная зона термического влияния; 6 – основной металл, не подверженный термическому влиянию

Рис. 3. Схема изменения температуры в зоне термического влияния на участках:

1 – сплавления;2 – перегрева; 3 – перекристаллизации;4 – неполной перекристаллизации;

5 – рекристаллизация; 6 – старения

Дефекты соединения металлов — Студопедия

Введение

Каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией, называется дефектом (ГОСТ 17102—71).

2.1 Производственно-техннологические дефекты.
2.1.1 Дефекты механической обработки

Трещины отделочные возникают и поверхностном слое металла, наклепанном при отделочных операциях. Поверхностные микротрещииы в дальнейшем, при работе детали под нагрузкой, могут значительно увеличиться.

Прижоги, трещины шлифовочиые возникают при резком нагреве поверхностного слоя стального изделия при нарушении режима шлифования или полирования. Дефекты представляют собой или закаленные участки небольшой площади, или участки с сеткой тонких трещин на поверхности детали. Применение неподходящего для данного металла или «засаленного» круга, повышение подачи, скорости шлифования или недостаточное охлаждение детали вызывают местные перегревы поверхностного слоя закаленной стали и высокие внутренние напряжения из-за неравномерных объемных изменений при чередующихся нагревах и охлаждении.

Металлургические дефекты сварного шва появляются в сварных соединениях вследствие нарушения режима сварки. При сварке металл подвергается расплавлению и затвердеванию, поэтому в сварных соединениях могут быть дефекты, присущие литому металлу (раковины, поры, шлаковые включения и др.).

Поры и раковины в металле шва — пузыри, в основном сферической формы различной величины, заполненные водородом или окисью углерода, образуются из-за присутствия газов, поглощаемых жидким металлом.

Шлаковые включения в металле шва — небольшие объемы, заполненные неметаллическими веществами (окислами, шлаками). Размеры их колеблются от микроскопических до нескольких миллиметров в поперечном сечении.

Трещины появляются вследствие внутренних напряжений, возникающих из-за усадки металла при охлаждении шва Причиной усадки металла может быть нарушение технологии сварки или несоответствие основного металла и электродов требованиям ТУ.

Непровар — отсутствие сплавления между основным и наплавленным металлом в корне шва или по кромкам из-за плохой подготовки кромок свариваемых листов или малого расстояния между кромками по отношению к диаметру электрода. Например: типичной картиной непровара в вершине шва на рентгеновском снимке является непрерывная или прерывистая темная полоса в центре шва.

Перечисленные выше дефекты обычно относят к внутренним дефектам сварного шва. К наружным (внешним) дефектам можно отнести неполное заполнение шва, вогнутость на вершине шва, избыточное усиление (увеличение толщины шва), нахлест (наплавление металла на основу), проплав, продольный канавки, подрезы, смещение кромок шва, неровности в местах смены электрода и др. В большинстве случаев внешние дефекты могут быть определены визуально.

Отслоение — характерный дефект в изделиях, изготавливаемых из двухслойных металлов. Возникает в процессе получения двухслойных листов или труб, а также при их обработке давлением, сваркой.

Производственные дефекты существенно ухудшают прочностные характеристики металла и могут явиться причиной поломки и преждевременного выхода деталей из строя в условиях эксплуатации при ремонте требуют замены или восстановления. Другие изнашиваются меньше и могут длительное время эксплуатироваться без ремонта. Следовательно, детали машин в процессе эксплуатации теряют свои служебные свойства неравномерно, что вызывает на определенных этапах необходимость проведения осмотров и ремонтов, при которых определяют техническое состояние, заменяют или восстанавливают определенную номенклатуру деталей, узлов и агрегатов.

Под техническим состоянием понимают степень пригодности деталей и узлов для надежной работы в машине в соответствии с требованиями технических условий. В процессе эксплуатации техническое состояние не остается постоянным и с увеличением наработки под воздействием внешних факторов ухудшается, работоспособность машины из-за износов и повреждений снижается и надежность работы элементов конструкции падает.

Физический износ является нормальным явлением, неизбежно сопровождающим эксплуатацию любой машины. Величина и характер физического износа определяются конструкцией машины, использованными в ней:
материалами, технологией изготовления и условиями эксплуатации.

Наиболее распространенным видом физического износа элементов конструкций, где имеется контакт, является механический износ. Он происходит в результате действия сил трения и ударных нагрузок в сопряженных деталях, имеющих относительное перемещение с большей или меньшей скоростью.

К физическому износу относится также коррозионный износ деталей и агрегатов, возникающий в результате химического или электрохимического взаимодействия металла с внешней средой. В процессе эксплуатации коррозия может возникать вследствие атмосферных воздействий, из-за неблагоприятных контактов металла в конструкции, под воздействием рабочей жидкости в системах, под влиянием газовой среды при высоких температурах.

Особенно вредно влияние коррозии при одновременном воздействии на детали переменных нагружений (коррозионная усталость). Установлено, что при этих условиях разрушение их может происходить при напряжениях, значительно меньших предела усталости. Дефекты металла могут возникать и в условиях эксплуатации как следствие физического износа и неправильного технического обслуживания машин.
Разнообразие применяемых материалов для изготовления деталей и агрегатов машин, а также различные условия работы приводят к тому, что физический износ отдельных элементов конструкции наступает неодновременно.

Усталость материала представляет собой процесс постепенного изменения деталями машины своей работоспособности под воздействием переменных по величине и направлению нагрузок. Усталость проявляется в виде трещин, возникающих преимущественно на деталях, испытывающих при работе многократные знакопеременные циклические нагрузки. Чаще всего трещины усталости возникают в местах концентрации напряжений—галтелях, у отверстий для смазки, в местах резкого перехода, глубоких рисок и т. д. Возникновению усталостных трещин в значительной степени способствуют структурная неоднородность материала, острые углы между сопряженными элементами деталей, местные повреждения в виде забоин, царапин и т. д.

Например: часто трещины усталости возникают на лопатках газовых турбин вследствие одновременного воздействия значительных напряжений, высоких температур и агрессивной среды, приводящих к разрушению лопаток.

А так же вибрационные нагрузки, возникающие при работе машин, приводят к появлению трещин усталости на валиках приводов агрегатов, лопатках осевых компрессоров, трубопроводах гидро- и пневмосистем.

РД 50-672-88 Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов изломов металлов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

РАСЧЕТЫ И ИСПЫТАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ.
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ИЗЛОМОВ МЕТАЛЛОВ

 

РД 50-672-88

 

 

 

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

Москва

1989

 

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ

Дата введения 01.07.89

В настоящих методических указаниях систематизированы основные виды изломов металлов, разрушенных при различных условиях нагружения, и установлены основные признаки, по которым необходимо проводить классификацию изломов для достоверной оценки поведения металлических материалов при разрушении.

Методические указания не содержат описания дефектов металлургического и технологического происхождения, выявляемых в изломе.

Методические указания предназначены для работников научно-исследовательских институтов, заводских лабораторий, а также всех предприятий и организаций, занимающихся вопросами прочности и диагностики причин разрушения, производящих и потребляющих металлические материалы.

Основные термины, используемые при описании макро- и микрорельефов изломов, пояснения к ним и иллюстрации, облегчающие интерпретацию наблюдаемых изломов, приведены в пп. 1.1 — 1.8.

1.1. Излом - поверхность раздела, возникающая при разрушении объекта.

1.2. Макростроение (макрорельеф) излома (черт. 1) — набор элементов поверхности разрушения, используемых для идентификации излома и различимых при визуальном рассмотрении или с небольшим увеличением (£ 50^´).

Макростроение и схема излома

(на примере усталостного излома)

а — усталостный излом лопатки компрессора

На изломе хорошо видны усталостные линии

Черт. 1а

б - усталостный излом шатунной шейки коленчатого вала

в — схема того же усталостного излома

1 — очаг разрушения; 2 - ступеньки и рубцы; 3 — усталостные линии; 4 — зона ускоренного развития трещины; 5 — зона долома

Черт. 1б, в

1.2.1. Зона излома — участок поверхности разрушения, характеризующийся строением, отличным от строения других частей излома.

1.2.2. Очаг разрушения (черт. 1) — место зарождения разрушения, оцениваемое на изломе.

1.2.3. Рубцы (черт. 1) — линии на изломе, представляющие собой следы слияния отдельных, близко расположенных соседних трещин, распространяющихся в одном направлении (как правило, от очага разрушения).

1.2.4. Зона долома (черт. 1) — участок излома, соответствующий конечной стадии разрушения.

1.2.5. Магистральная трещина — трещина приводящая к окончательному разрушению.

1.2.6. Ст

ГОСТ 19200-80 Отливки из чугуна и стали. Термины и определения дефектов, ГОСТ от 27 июня 1980 года №19200-80

ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 27 июня 1980 г. N 3143

ВЗАМЕН ГОСТ 19200-73

ПЕРЕИЗДАНИЕ. Январь 1992 г.


Настоящий стандарт устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий дефектов отливок из чугуна и стали.

Стандарт соответствует рекомендации СЭВ по стандартизации PC 46-63.

Термины, установленные стандартом, обязательны для применения в документации всех видов, научно-технической, учебной и справочной литературе.

Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин. Применение терминов-синонимов стандартизованного термина запрещается. Недопустимые к применению термины-синонимы приведены в качестве справочных и обозначены «Ндп».

Установленные определения можно, при необходимости, изменять по форме изложения, не допуская нарушения границ понятий.

В стандарте в качестве справочных приведены иностранные эквиваленты стандартизованных терминов на немецком (D), английском (Е) и французском (F) языках.

В стандарте приведены алфавитные указатели содержащихся в нем терминов на русском языке и их иностранных эквивалентов.

Стандартизованные термины набраны полужирным шрифтом, а недопустимые синонимы — курсивом.

Текст документа сверен по:
официальное издание

Термин		Определение
НЕСООТВЕТСТВИЕ ПО ГЕОМЕТРИИ
1.	Недолив Ндп. Стек D. Guss Е. Short run, misrun F. Manque	Дефект в виде неполного образования отливки вследствие незаполнения полости литейной формы металлом при заливке
2.	Неслитина Ндп. Неспай D. Kaltschweisse Е. Cold lap F. Reprise	Дефект в виде произвольной формы отверстия или сквозной щели в стенке отливки, образовавшихся вследствие неслияния потоков металла пониженной жидкотекучести при заливке
3.	Обжим Ндп. Выдав формы Отдав формы D. Stauchen, Stauchgrat an Teilungen Е. Incorrect shape F. Corroyage	Дефект в виде нарушенной конфигурации отливки, возникающей вследствие деформации формы из-за механических воздействий до или во время заливки
4.	Подутость Ндп. Раздутие Распор D. Verstampfung Е. Ram-off F. Fausse variation	Дефект в виде местного утолщения отливки вследствие распирания неравномерно или недостаточно уплотненной песчаной формы заливаемым металлом
5.	Перекос Ндп. Сдвиг D. Gussversatz, Versetzung Е. Mismatch, cross-joint F. Variation	Дефект в виде смещения одной части отливки относительно осей или поверхностей другой части по разъему формы, модели или опок вследствие их неточной установки и фиксации при формовке и сборке
6.	Стержневой перекос Ндп. Стержневой сдвиг D. Versetzung, Versetzung Kern Е. Mismatch in core F. Dejettement de noyau	Дефект в виде смещения отверстия, полости или части отливки, выполняемых с помощью стержня, вследствие его перекоса
7.	Разностенность Ндп. Смещение стержня	Дефект в виде увеличения или уменьшения толщины стенок отливки вследствие смещения, деформации или всплывания стержня
8.	Стержневой залив Ндп. Непроставленный стержень	Дефект в виде залитых металлом отверстия или полости в отливке из-за непроставленного в литейной форме стержня или его обрушения
9.	Коробление Ндп. Прогиб D. Verformung, Verzug E. Distortion, warping F.	Дефект в виде искажения конфигурации отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении, а также в результате неправильной модели
10.	Незалив Ндп. Нечеткость контура D. Unformgrat, Fehler beim Putzen E. Short run, misrun F. Moulage	Дефект в виде несоответствия конфигурации отливки чертежу вследствие износа модели или недостаточной отделки формы
11.	Зарез Ндп. Заруб D. Erstechung E. Mechanical damage F.	Дефект в виде искажения контура отливки при отрезке литников, обрубке и зачистке
12.	Вылом Ндп. Выбоина Скол D. Mechanische E. Mechanical damage, injury F. Faute d’	Дефект в виде нарушения конфигурации и размера отливки при выбивке, обрубке, отбивке литников и прибылей, очистке и транспортировании
13.	Прорыв металла Ндп. Прорыв формы D. Metalldurchbruch, Metalldurchschmelzen E. Metal run out F. Fuite du	Дефект и виде неполного образования или неправильной формы отливки, возникающей при заливке вследствие недостаточной прочности формы
14.	Уход металла Ндп. Подъем формы Стек D. des Metalls E. Metal leakage F. Perte du	Дефект в виде пустоты в теле отливки, ограниченной тонкой коркой затвердевшего металла, образовавшейся вследствие вытекания металла из формы при слабом ее креплении
	ДЕФЕКТЫ ПОВЕРХНОСТИ
15.	Пригар Ндп. Металлизация D. Angebrannter Sand E. Burn on F. Grippure	Дефект в виде трудно отделяемого специфического слоя на поверхности отливки, образовавшегося вследствие физического и химического взаимодействия формовочного материала с металлом и его окислами
16.	Спай Ндп. Неспай D. Kaltschweisse E. Cold lap, cold shut F. Reprise	Дефект в виде углубления с закругленными краями на поверхности отливки, образованного неполностью слившимися потоками металла с недостаточной температурой или прерванного при заливке
17.	Ужимина Ндп. Рвотина D. Festsitzende E. Expansion scab F. Gale franche	Дефект в виде углубления с пологими краями, заполненного формовочным материалом и прикрытого слоем металла, образовавшегося вследствие отслоения формовочной смеси при заливке
18.	Нарост Ндп. Размыв Подрыв D. Auswuchs, Treibstelle Е. Knob, scab F. Bosse	Дефект в виде выступа произвольной формы, образовавшегося из загрязненного формовочными материалами металла вследствие местного разрушения литейной формы
19.	Залив Ндп. Облой Грат D. Grat, Gussgrat Е. Flash, cross-joint F. Barbe, bavure de joint	Дефект в виде металлического прилива или выступа, возникающего вследствие проникновения жидкого металла в зазоры по разъемам формы, стержней или по стержневым знакам
20.	Засор Ндп. Намыв D. Verunreinigung, Verschmutzung Е. Surface contamination F. Remblayage, obstruction	Дефект в виде формовочного материала, внедрившегося в поверхностные слои отливки, захваченного потоками жидкого металла
21.	Плена Ндп. Заплеск Заворот D. Oxydflecken Е. Oxide spots F. Repliure, d’oxyde	Дефект в виде самостоятельного металлического или окисного слоя на поверхности отливки, образовавшегося при недостаточно спокойной заливке
22.	Просечка Ндп. Заусенец Рубцы D. Stechen E. Veining, mapping F. Bavure	Дефект в виде невысоких прожилок на поверхности отливки, возникших вследствие затекания металла в трещины на поверхности формы или стержня
23.	Окисление Ндп. Пережог Рубашка D. Zunderschicht Е. Oxidation F. Oxidation,	Дефект в виде окисленного слоя металла с поверхности отливки, получившийся после отжига отливок из белого чугуна на ковкий чугун
24.	Поверхностное повреждение Ндп. Забоина D. der Е. Surface damage F. Trace de frappe, deterioration	Дефект в виде искажения поверхности, возникшего при выбивке отливки из формы, очистке и транспортировании
25.	Складчатость Ндп. Наплыв Заворот D. Faltenbildung, Runzein Е. Foldness, waviness F. Plissement	Дефект в виде незначительных гладких возвышений и углублений на поверхности отливки, возникающих вследствие пониженной жидкотекучести металла
26.	Грубая поверхность Ндп. Неровность поверхности D. Rauhigkait der Е. Rough surface F. de la surface	Дефект в виде шероховатости поверхности с параметрами, превышающими допустимые значения
27.	Газовая шероховатость Ндп. Пузырчатость D. Gasrauhigkeit Е. Gas roughness F. gaseux	Дефект в виде сферообразных углублений на поверхности отливки, возникающих вследствие роста газовых раковин на поверхности раздела металл-форма
	НЕСПЛОШНОСТИ В ТЕЛЕ ОТЛИВКИ
28.	Горячая трещина Ндп. Усадочная трещина D. Warmbruch, Warmriss Е. Shrinkage crack, hot tear F. Cassure chaud	Дефект в виде разрыва или надрыва тела отливки усадочного происхождения, возникшего в интервале температур затвердевания. Примечание. Горячая трещина располагается по границам кристаллов, имеет неровную окисленную поверхность, на которой иногда видны дендриты
29.	Холодная трещина Ндп. Бой D. Kaltbruch, Kaltriss Е. Cold crack F. Cassure froid	Дефект в виде разрыва тела затвердевшей отливки вследствие внутренних напряжений или механического воздействия. Примечание. Холодная трещина обычно имеет чистую светлую или с цветами побежалости зернистую поверхность
30.	Межкристаллическая трещина D. Mikroriss, Korngrenzenriss Е. Intercrystalline crack F. Fissure intercristallique	Дефект в виде разрыва тела отливки при охлаждении отливки в форме на границах первичных зерен аустенита в температурном интервале распада.
		Примечание. Межкристаллическая трещина в изломе термически обработанной пробы (отливки) имеет вид сглаженных поверхностей с зеркальным блеском на общем сером фоне волокнистой составляющей излома и образуется под воздействием водорода, растворенного в стали
31.	Газовая раковина Ндп. Пузырь D. Blasen Е. Blowholes F. Soufflure	Дефект в виде полости, образованной выделившимися из металла или внедрившимися в металл газами
32.	Ситовидная раковина Ндп. Ситовидная пористость D. Sieblunker, Siebblase F.	Дефект в виде удлиненных тонких раковин, ориентированных нормально к поверхности отливки, вызванных повышенным содержанием водорода в кристаллизующемся слое
33.	Усадочная раковина Ндп. Подсадина D. Schwindungshohl raum Е. Draw, contraction cavity F. Effet	Дефект в виде открытой или закрытой полости с грубой шероховатой иногда окисленной поверхностью, образовавшейся вследствие усадки при затвердевании металла
34.	Песчаная раковина D. Sandeinschluss Е. Sand holes, drop F. Inclusion de sable	Дефект в виде полости, полностью или частично заполненной формовочным материалом
35.	Шлаковая раковина Ндп. Шлак D. Schlackenblasen Е. Slag blowholes, slag inclusion F. Soufflures de scorie	Дефект в виде полости, полностью или частично заполненной шлаком
36.	Залитый шлак Ндп. Шлак D. Schlacke Е. Poured slag F. Laitier	Дефект в виде частичного заполнения литейной формы шлаком
37.	Графитовая пористость Ндп. Течь D. vvv Е. Graphite porosity F. de graphite	Дефект отливок из серого чугуна в виде сосредоточенных или паукообразных выделений графита, вызывающих неплотности металла при испытании гидравлическим или газовым давлением
38.	Усадочная пористость Ндп. Течь D. Е. Shrinkage porosity F. de retrait	Дефект в виде мелких пор, образовавшихся вследствие усадки металла во время его затвердевания при недостаточном питании отливки
39.	Газовая пористость Ндп. Ситовидная пористость Течь D. Gasporositat Е. Gas porosity F. de gas	Дефект в виде мелких пор, образовавшихся в отливке в результате выделения газов из металла при его затвердевании
40.	Рыхлота Ндп. Подкорковая пористость D. Mikrolunker Е. Microporosity, shrinkage porosity, grain boundary cracks F. Microretassure	Дефект в виде скопления мелких усадочных раковин. Примечание. Рыхлота обнаруживается при механической обработке отливки или методами дефектоскопии
41.	Непровар жеребеек (холодильников) D. Trennung zwischen Kernstutzen () E. Unfused chaplets (cooles) F. Incuit de support de noyau (refroidisseur)	Дефект в ряде несплошности соединения металла отливки с поверхностью жеребеек (холодильников) вследствие их загрязнения, несоответствия масс, пониженной температуры заливаемого металла
42.	Вскип Ндп. Кип	Дефект в виде скопления раковин и наростов, образовавшихся вследствие парообразования в местах переувлажнения литейной формы или проникновения газов из стержней в полость литейной формы
43.	Утяжина Ндп. Утяжка Подсадина D. Aussenlunker, Einfallstelle E. Shrinkage depression F. Poquette retassure de surface	Дефект в виде углубления с закругленными краями на поверхности отливки, образовавшегося вследствие усадки металла при затвердевании
	BKЛЮЧЕНИЯ
44.	Металлическое включение D. Metallischer Fremden Ursprungs E. Exogenous metallic inclusion F. Inclusion d’origine	Дефект в виде инородного металлического включения, имеющего поверхность раздела с отливкой
45.	Неметаллическое включение Ндп. Черные пятна D. Nichtmetallischer E. Exogenous non-metallic inclusion F. Inclusion non-	Дефект в виде неметаллической частицы, попавшей в металл механическим путем или образовавшейся вследствие химического взаимодействия компонентов при расплавлении и заливке металла
46.	Королек Ндп. Выпот	Дефект в виде шарика металла, отдельно застывшего и несплавившегося с отливкой, образовавшегося брызгами при неправильной заливке
	НЕСООТВЕТСТВИЕ ПО СТРУКТУРЕ
47.	Отбел Ндп. Твердые места D. Harte Stellen E. Chill hard spots F. Points durs	Дефект в виде твердых, трудно поддающихся механической обработке мест в различных частях отливки из серого чугуна, вызванных скоплением структурно свободного цемента
48.	Половинчатость Ндп. Отсер Первичный графит D. Halbheit Meliertes Roheisen Е. Mottleness F. Fonte	Дефект в виде проявления структуры серого чугуна в отливках из белого чугуна
49.	Ликвация D. Seigerung, Entmischung Е. Segregation F. Liquation,	Дефект в виде местных скоплений химических элементов или соединений в теле отливки, возникших в результате избирательной кристаллизации при затвердевании
50.	Флокен Ндп. Белые пятна D. Flocken Е. Flakes F. Flocon	Дефект в виде разрыва тела отливки под влиянием растворенного в стали водорода и внутренних напряжений, проходящего полностью или частично через объемы первичных зерен аустенита. Примечание. Флокен в изломе термически обработанной пробы (отливки) имеет вид сглаженных поверхностей без металлического блеска (матового цвета) на общем сером фоне волокнистой составляющей

Кристаллографические дефекты — tec-science

• Дом
• Механика
  • Газы и жидкости
• Химия
  • Структура вещества
  • Атомарные модели
  • Химические связи
• Материаловедение
  • Структура металлов
  • Пластичность металлов
  • Затвердевание металлов
  • Сплавы
  • Сталеплавильное производство
  • Фазовая диаграмма железо-углерод
  • Термическая обработка сталей
  • Испытания материалов
• Механическая трансмиссия
  • Основы
  • Типы шестерен
  • Ременная передача
  • Планетарная передача
  • Циклоидальный привод
  • Эвольвентная шестерня
  • Циклоидальная передача
• Термодинамика
  • Температура
  • Кинетическая теория газов
  • Тепло
• Оптика
  • Оптика

Войти

.

дефектов

дефектов

Подробнее о материаловедении

---

Дефекты

Полезно думать о твердых телах как о регулярном повторяющемся узоре из плоскостей частицы. Но важно понимать, что твердые тела редко бывают идеально упорядоченными. Существует четыре основных механизма введения точечного дефекта в структура твердого тела, как показано на рисунке ниже.Когда частица отсутствует в одном или больше узлов решетки получаем вакансия . Когда частица пробивается внутрь дырка между узлами решетки, мы получаем примесь внедрения . Замещающий примеси возникают в результате замены частицы, которая должна занимать узел решетки с другой частицей, например, замена ионов Na ⁺ ионами K ⁺ ион в NaCl. (Если заменить ион с другим зарядом, электронейтральность кристалла необходимо поддерживать.Если ион Ca ²⁺ заменить на Na ⁺ ион, например, второй ион Na ⁺ должен покинуть кристалл, чтобы он не захватить электрический заряд.) Дислокации — одномерные дефекты вызванные дырами, которые недостаточно велики, чтобы быть вакансией.

Когда значительная часть исходных частиц заменяется примесями, происходит возможно получение твердого раствора .Сплавы , такие как бронза и латунь, примеры твердых растворов. Бронза — это раствор олова, растворенного в меди. Латунь — это смесь меди и цинка, которая может содержать от 10% до 45% цинка.

Искажения кристаллической решетки часто возникают при добавлении примесей в твердое тело. Как в результате точечные дефекты часто определяют свойства материала. Они могут изменить легкость, с которой материал проводит электричество, его механическую прочность, способность формоваться молотком (пластичность) или вытягиваться в проволоку (пластичность).Растворение небольшое количество углерода в железе, например, дает сплав, известный как сталь, который значительно прочнее железа. Но более высокий процент углерода делает сталь такой хрупкой. что он может разбиться при падении.

Точечные дефекты искажают решетку и позволяют атомам перемещаться по твердому телу. Атомы могут перемещаться из узла решетки в вакансию, например, создавая новую вакансию, как показано на рисунке ниже.

Теоретические расчеты легкости скольжения одной плоскости атомов другой предполагает, что металлы должны быть более устойчивыми к стрессу, чем они есть.В другими словами, металлы мягче, чем можно было бы ожидать. Металлурги объяснили это тем, что предполагая, что металлы содержат дефекты, которые позволяют плоскостям атомов скользить друг мимо друга охотнее, чем ожидалось. Эта гипотеза подтверждена микроскопическим анализом. где показаны дислокации, проходящие через кристалл. Есть два типа дислокации: краевые или винтовые дислокации. Краевая дислокация дополнительная полуплоскость атомов, которая частично проходит через твердую структуру, как показано на рисунок ниже.

Представьте себе, например, одну игральную карту, вставленную наполовину в колоду карт. В Линия, образованная вставленной картой, будет линией дислокации. Наличие дислокационный дефект позволяет одной плоскости атомов легче скользить по соседней плоскости атомов, как показано на рисунке ниже. Не все атомы в двух плоскостях движутся мимо друг друга одновременно; они перемещаются по одной строке за раз.

Часто приводят аналогию с перемещением ковра.Перетаскивая ковер по пол труден из-за трения, возникающего при контакте с поверхностью ковер с полом. Однако представьте, что произойдет, если складку поместить в ковер, как показано в части (а) рисунка ниже. Ковер теперь можно перемещать толкает морщинку по полу, потому что только трение между небольшой частью ковер и пол должны быть преодолены. Подобное явление происходит, когда одна плоскость атомы движутся мимо друг друга посредством дислокационного дефекта.

Поскольку они позволяют плоскостям атомов в твердом теле перемещаться по одной строке за раз, дислокации может ослабить металл. Парадоксально, но они также могут упрочнять металл, когда дислокации пересекаются с узлами продукта, аналогичными пересекающимся морщинкам на рисунке, обозначенном «b» на рисунке ниже. Это явление встречается с металлами, имеющими были закалены в работе. Рассмотрим, что происходит, например, когда нагревается железка, ковка, охлаждение, повторное нагревание и переработка в кованое железо.В процессе работы при упрочнении металла образуются пересекающиеся дислокации, затрудняющие движение плоскости атомов.

Винтовые дислокации труднее визуализировать, чем краевые На рисунке ниже показано, как возникает винтовая дислокация, когда одна сторона кристалл смещен относительно другой стороны. Для краевых или винтовых дислокаций a искажение происходит вокруг дислокации с соответствующим напряжением, создаваемым внутри материал.

---

Металлы, полупроводники и изоляторы

Значительная часть валового национального продукта (ВНП) Соединенных Штатов, и весь вклад высокотехнологичных отраслей в ВНП можно отнести к усилия по использованию различий в способах проведения металлов, полупроводников и изоляторов электричество. Эта разница может быть выражена через удельной электропроводности , который измеряет легкость, с которой материалы проводят электрический ток.Это также может быть выражается через удельное электрическое сопротивление , обратное проводимость, которая измеряет сопротивление материала переносу электрического заряда.

Серебро и медь — одни из лучших проводников электричества, проводимость всего 10 ⁶ ом-см. (Вот почему медь — металл чаще всего используется в электрических проводах.) Проводимость полупроводников, таких как кремний и германий. в 10 ⁸ до 10 ¹⁰ раз меньше.(В чистом виде эти полуметаллы имеют проводимость от 10 ^-2 до 10 ^-4 Ом-см. Изоляторы стеклянные (10 ^-10 Ом-см), алмаз (10 ^-14 Ом-см) и кварц (10 ^-18 Ом-см), все они имеют крайне небольшую тенденцию проводить электрический ток.

Диапазон проводимости в 10 ²⁴ — не единственное различие между металлами, полупроводники и изоляторы. Металлы становятся лучшими проводниками, когда их охлаждают до более низкие температуры.Некоторые металлы являются настолько хорошими проводниками при очень низких температурах, что они больше не имеют измеримого сопротивления и поэтому становятся сверхпроводниками . Полупроводники показывают противоположное поведение, они становятся намного лучшими проводниками, поскольку температура увеличивается. Различие температурной зависимости металлов и полупроводников настолько значительна, что часто является лучшим критерием для различения этих материалы. На рисунке ниже показан широкий диапазон электропроводности твердых тел.

Диапазон проводимости твердых тел составляет примерно 24 порядка величина.

Semiconductors очень чувствительны к примесям. Проводимость кремния или германий может быть увеличен до 10 ⁶ , добавляя всего лишь 0,01% примеси. С другой стороны, металлы довольно нечувствительны к примесям. Это требуется много примесей, чтобы изменить проводимость металла в несколько раз 10; и, в отличие от полупроводников, металлы становятся менее чистыми проводниками.

Чтобы объяснить поведение металлов, полупроводников и изоляторов, нам нужно более подробно разобраться в связях в твердых телах. Потому что это самый легкий элемент в таблица периода, которая является твердой при комнатной температуре, давайте начнем с построения модели того, что происходит при взаимодействии атомов лития. В качестве первого шага мы можем рассмотреть, что происходит, когда пара атомов лития с конфигурацией 1 s ² 2 s ¹ взаимодействуют с образованием гипотетической газовой фазы молекулы Li ₂ .Ли ₂ молекула образуется путем помещения двух электронов в область связи между двумя Li ядра.

А теперь давайте представим, что произойдет, когда достаточно атомов лития объединятся, чтобы сформировать кусок металлического лития. Валентные электроны больше не ограничиваются областью между парами. ядер лития, как это было для изолированной молекулы Li ₂ в газовой фаза. В металле каждый атом лития возмущен своими соседями и энергетическими состояниями каждого атома немного изменены.1 s орбиталей на различных атомах металлов взаимодействуют, образуя полосу орбиталей, энергия которых находится в диапазоне чуть ниже энергия изолированной орбитали 1 с немного выше этой энергии, как показано на рисунок ниже. То же самое происходит с орбиталями 2 s .

Каждая из орбиталей в этих зонах может удерживать два электрона противоположных вращение. Поскольку на каждой из орбиталей s было по два электрона, которые сформировали полоса более низких энергий заполнена полоса «единиц».Но был только один электрон в каждая из 2 орбиталей с , которые сформировали полосу более высоких энергий, что означает, что Полоса «2s» заполнена только наполовину. Чтобы возбудить один из электроны в полосе 2 s переходят с одной орбитали на другую в полосе. (Энергия промежуток между орбиталями в полосе 2 s в литии всего около 10 ^-45 кДж.) Перемещаясь с орбитальной на орбитальную в пределах 2s-зоны, электроны могут перемещаться с одного конца кристалла к другому.Поэтому эта полоса орбиталей называется зоной проводимости . полоса , потому что она позволяет металлическому литию проводить электричество.

Теперь обратимся к магнию, который имеет конфигурацию [Ne] 3 s ² . Орбитали 3s на соседних атомах магния перекрывались бы, образуя полосу из 3 с орбиталей. Поскольку на каждой 3 орбитали с находится два электрона, это группа полностью заполнена. Однако пустые орбитали 3 p на магнии также взаимодействуют, образуя группу орбиталей.Этот пустой 3 p перекрывает полосу 3 s в магнии, так что объединенная полоса заполняется только частично, позволяя магнию проводит электричество.

Различия в том, как металлы, полупроводники и изоляторы проводят электричество можно пояснить с помощью схемы на рисунке ниже. Металлы заполнили полосы сердечника электроны, такие как полоса 1 с в литии или полоса 1 с и 2 с полосы в магнии.Но у них также есть частично заполненные полосы орбиталей, которые позволяют электроны переходят от одного конца кристалла к другому. Поэтому они проводят электрический ток. Все полосы изолятора либо заполнены, либо пусты. Кроме того, зазор между полосой с наибольшей энергией и полосой с наименьшей энергией пустой полоса в изоляторе настолько велика, что возбудить электроны от одного из эти группы к другому. В результате трудно перемещать электроны через изолятор.

Полупроводники также имеют зонную структуру, состоящую из заполненных и пустых зон. В зазор между зоной с наибольшей энергией и пустой зоной с наименьшей энергией невелик однако достаточно, чтобы электроны могли быть возбуждены в пустую зону за счет тепловой энергии электроны переносятся при комнатной температуре. Полупроводники, следовательно, находятся между крайности металлов и изоляторов в их способности проводить электрический ток.

Чтобы понять, почему металлы становятся лучшими проводниками при низких температурах, важно помните, что температура — это макроскопическое отражение кинетической энергии отдельные частицы.Большая часть сопротивления металла электрическому току в помещении температура является результатом рассеяния электронов тепловым движением атомы металла, когда они колеблются взад и вперед вокруг своих узлов решетки. Как металл охлаждается, и это тепловое движение замедляется, уменьшается рассеяние, и металл становится лучшим дирижером.

Полупроводники становятся лучшими проводниками при высоких температурах, потому что количество электроны с достаточной тепловой энергией для возбуждения из заполненной зоны в пустую зону увеличивается.

Чтобы понять, почему полупроводники чувствительны к примесям, давайте посмотрим, что происходит, когда мы добавляем небольшое количество элемента группы VA, такого как мышьяк, в один из Полупроводники группы IVA. Атомы мышьяка имеют на один валентный электрон больше, чем германий, и атомы кремния. Следовательно, атомы мышьяка могут потерять электрон с образованием ионов As ⁺ . которые могут занимать некоторые точки решетки в кристалле, где атомы кремния или германия обычно встречаются.

Если количество мышьяка остается очень небольшим, расстояние между этими атомами будет таким большие, что они не взаимодействуют. В результате лишние электроны от атомов мышьяка занимают орбитали в очень узкой полосе энергий, лежащих между заполненным и пустым полосы полупроводника, как показано на рисунке ниже. Это уменьшает количество энергия, необходимая для возбуждения электрона в самую низкоэнергетическую пустую зону в полупроводник и, следовательно, увеличивает количество электронов, у которых достаточно энергии для преодолеть этот пробел.В результате этот «легированный» полупроводник становится очень лучший проводник электричества, чем чистый полупроводник. Потому что электрический заряд переносится потоком из отрицательных частиц , эти полупроводники называют n-типа.

Также возможно легирование полупроводников группы IVA одним из элементы группы IIIA, такие как индий. Эти атомы имеют на один валентный электрон меньше, чем атомы кремния или германия, и они могут захватывать электроны с максимальной энергией заполненных полоса, чтобы сформировать отверстия в этой полосе.Наличие дырок в заполненной полосе имеет то же эффект, поскольку присутствие электронов в пустой зоне позволяет твердому телу нести электрический ток. Электрический заряд теперь переносится потоком положительных частиц, или дырок, поэтому эти полупроводники называют p-типа.

Объединение полупроводников типа n и p вместе дает устройство который имеет естественный однонаправленный поток электронов, который можно отключить, применив небольшое напряжение в обратном направлении.Это соединение между типом n и типом p полупроводники были основой революции в промышленных технологиях, последовавшей за открытие транзистора Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в Bell Лаборатории в 1948 году.

---

Теплопроводность

Вы могли заметить, что металлические лотки для льда на ощупь значительно холоднее пластиковых. лотки для льда, когда вы вынимаете их из морозильной камеры.Ваши чувства явно вводят в заблуждение вы, потому что лотки имеют ту же температуру, что и температура морозильной камеры. В металлические лотки кажутся холоднее, потому что металлы гораздо лучше проводят тепло, чем пластик.

Легкость, с которой металлы проводят тепло, связана с их способностью проводить электрический ток. Большая часть энергии, поглощаемой металлом при нагревании, используется для увеличить скорость, с которой атомы колеблются вокруг узлов своей решетки. Но некоторые из этого энергия поглощается электронами в металле, которые перемещаются с орбитальной на орбитальную через зона проводимости.Конечный результат — перенос кинетической энергии от одной части металлическая поверхность к другому. Металлы кажутся холодными на ощупь, потому что электроны в зона проводимости уносит тепло от наших тел и распределяет эту энергию через металлический предмет.

Пластмассы, с другой стороны, являются теплоизоляторами. Они плохо проводят тепло потому что орбитали, на которых удерживаются электроны, как правило, локализованы на отдельном атоме или между парами атомов.Единственный способ для электронов переносить энергию через пластик — это использовать эту энергию для возбуждения электрона с заполненной орбитали на пустую. Но разница между энергиями заполненной и пустой орбиталей настолько велика, что это редко бывает.

Разницу между теплопроводниками и теплоизоляторами можно количественно определить с помощью определение теплопроводности вещества как количества тепла передается в секунду через пластину из материала толщиной один сантиметр и один квадрат сантиметр площади, когда разница температур между двумя сторонами пластины равна один градус Цельсия или один Кельвин.Медь, используемая для изготовления кастрюль и сковородок, имеет термический проводимость, которая более чем в 5000 раз превышает значение пенополистирола, используемого для кофе чашек, как показано в таблице ниже. Эта таблица соответствует опыту, это говорит о том, что воздух, который попадает в волокна пуховой куртки, представляет собой лучший изолятор, чем хлопок, который намного лучше, чем нейлон.

Теплопроводность различных веществ

Материал		Теплопроводность (Дж / scmK) a		Материал		Теплопроводность (Дж / scmK) a
Воздух		0.00026		Пб		0,353
Стекловата		0,00042				CS 0,359
Хлопок		0,00057				MgO 0,360 (100F)
Пенополистирол		0.00079		руб.		0,582
Тетрахорид углерода		0,0010		Fe		0,804
Сосна белая		0,0011		Li		0.848
Дуб		0,0015		К		1,025
He		0,001520		C (графит) b		1,1–2,2
Картон		0.0021		Zn		1,16
нейлон		0,0025		Латунь		1,2
Вода		0,0061		Na		1,42
Кирпич		0.0063		мг		1,56
Стекло		0,0072-0,0088		Be		2,01
Бетон		0,0086-0,013		BeO		2,20 (100F)
Hg		0.083		Al		2,37
SiC		0,090 (100F)		Au		3,18
NaCl		0,092 (0C)		Cu		4,01
ZnS (смесь цинка)		0.264 (0C)		Ag		4,29
Al 2 O 3		0,303 (100 ° C)		C (ромб) c		9,9–23,2
a Все значения приведены для комнатной температуры, если не указано иное. b Значение зависит от примесей в графите и ориентации графит, более крупный в направлении, параллельном слоям атомов углерода. c Стоимость сильно зависит от примесей и дефектов.

---

Тепловое расширение

Заманчиво думать о твердых телах, как если бы частицы были зафиксированы в определенном положении, способ строительства стены из кирпича. Однако это было бы ошибкой, потому что частицы в твердом теле находятся в более или менее постоянном движении, раскачиваясь взад-вперед и вращаются вокруг своих фиксированных положений в кристалле.Это движение зависит от двух факторов: температура системы и сила взаимодействий, удерживающих частицы вместе. Чем выше температура, тем быстрее движутся частицы. Сильнее сила притяжения между частицами, тем меньше расстояния перемещаются частицы отдельно. Поскольку силы Ван-дер-Ваальса, удерживающие молекулы вместе, намного слабее, чем связи между атомами в металле или между положительными и отрицательными ионами в ионном соединение, молекулярный кристалл расширяется больше при нагревании, чем металлы или ионные соединения.

Разница между коэффициентами теплового расширения железа и меди составила источник серьезной проблемы для Статуи Свободы, которая состоит из медных пластин поддерживается железным каркасом. Изоляционный материал, используемый для защиты этих двух металлов от контакт неизбежно стирался из-за разницы в скорости, с которой эти два металла расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. (Для каждого изменения степени в температура Статуи, объем металлической меди изменяется на 40% больше, чем железо металлическое.) Когда это произошло, два металла соприкоснулись, образуя электрический ячейка, которая значительно увеличила скорость коррозии железного скелета.

Однако то же явление используется для образования термостатов, которые включают электрические включение и выключение приборов. Когда два металла с очень разными коэффициентами термического расширения соединяются в биметаллическую полосу, металл, который больше всего расширяется при нагретый заставляет прилегающую металлическую полосу изгибаться в сторону металла с наименьшим термическим расширение.Из этой биметаллической ленты можно сделать устройство, которое будет включать обогреватель. или выключен, поскольку контакт замыкается или разрывается с помощью электрического контакта, как показано на рисунке ниже.

Тепловое расширение и теплопроводность могут работать вместе, чтобы ослабить материал. Если тепло не переносится быстро через нагретый объект, одна часть расширяется больше быстрее, чем другой. Если есть трещины или дефекты, более горячая часть вещества потянет за более холодную часть и расширит трещину, что приведет к поломке.

---

Материаловедение

Материаловедение | Металлы и элементарные элементы | Подробнее о материаловедении | Керамика

---

Периодический Таблица Если вы видите это, ваш браузер не поддерживает JavaScript. | Глоссарий | Классные Апплеты

Обзор темы

---

Gen Chem | Главная страница справки по общей химии | Поиск: веб-сайт общей химии.

.

металла | Определение, характеристики, типы и факты

Металл , любой из класса веществ, характеризующихся высокой электрической и теплопроводностью, а также пластичностью, пластичностью и высокой отражательной способностью света.

слиток золота слиток металлического золота. © Корпорация Jupiterimages

Британская викторина

Металлы: факт или вымысел?

Галенит — очень тонкий металл.

Примерно три четверти всех известных химических элементов — металлы. Наиболее распространенные разновидности в земной коре — это алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний. Подавляющее большинство металлов находится в рудах (минеральных веществах), но некоторые из них, такие как медь, золото, платина и серебро, часто встречаются в свободном состоянии, потому что они не вступают в реакцию с другими элементами.

Металлы обычно представляют собой твердые кристаллические вещества. В большинстве случаев они имеют относительно простую кристаллическую структуру, отличающуюся плотной упаковкой атомов и высокой степенью симметрии.Обычно атомы металлов содержат менее половины полного набора электронов в своей внешней оболочке. Из-за этой характеристики металлы не склонны образовывать соединения друг с другом. Однако они легче соединяются с неметаллами (например, кислородом и серой), которые обычно имеют более половины максимального количества валентных электронов. Металлы широко различаются по своей химической активности. Наиболее реактивными являются литий, калий и радий, тогда как низкоактивными являются золото, серебро, палладий и платина.

Высокую электрическую и теплопроводность простых металлов (т.е. непереходных металлов периодической таблицы) лучше всего объяснить с помощью теории свободных электронов. Согласно этой концепции, отдельные атомы в таких металлах потеряли свои валентные электроны в твердом теле, и эти свободные электроны, которые вызывают проводимость, перемещаются как группа по всему твердому телу. В случае более сложных металлов (то есть переходных элементов) проводимость лучше объясняется зонной теорией, которая учитывает не только наличие свободных электронов, но и их взаимодействие с так называемыми электронами d .

Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

Механические свойства металлов, такие как твердость, способность противостоять повторяющимся нагрузкам (усталостная прочность), пластичность и пластичность, часто связывают с дефектами или несовершенствами их кристаллической структуры. Например, отсутствие слоя атомов в его плотно упакованной структуре позволяет металлу пластически деформироваться и предотвращает его хрупкость.

.