НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
ВЫПУСК 40
Д. О. СЛАВИН
Кандидат технических наук
СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА 1952 ЛЕНИНГРАД
ВВЕДЕНИЕ
Г ыло время, когда для изготовления орудий производ-
ства человек использовал только такие материалы,
которые давала ему природа в готовом виде: дерево,
глину, камни. Привязанный к палке камень служил
молотком, из глины человек делал посуду, из дерева —
домашнюю утварь и т. д. Этот период развития человече-
ского общества назван «каменным веком».
Первые металлы, которыми стал пользоваться человек,
были медь и золото; они встречаются в природе в само-
родном виде. Но золото — редкий и недостаточно твёрдый
металл. Поэтому основным материалом для изготовления
различных орудий являлась медь. Позднее выяснилось,
что медь становится более твёрдой и более пригодной для
литья, если её сплавить с оловом. Так появился первый
сплав — бронза. Эпоха, когда человек употреблял
для изготовления всякого рода изделий бронзу, названа
«бронзовым веком».
Известно, что наши предки были знакомы с бронзой
уже 5000 лет назад. Они изготовляли из бронзы самые
различные изделия: топоры, ножи, пилы, гвозди, косы,
рыболовные крючки, долота, мечи и т. д.
С течением времени человек научился получать же-
лезо. Железных руд в земной коре много, и выплавлять
из них железо сравнительно нетрудно. Железо — более
прочный металл, чем медь. Поэтому оно во многих слу-
чаях заменило бронзу. В истории развития человеческого
общества наступил «железный век».
Позднее было установлено, что сплав железа с угле-
родом — сталь — гораздо твёрже и прочнее бронзы и
3
железа. Сталь заменила железо. Одновременно со сталью
начал применяться и чугун.
История металлургии своими истоками уходит в глу-
бокую древность.
Раскопки древних погребений на Урале говорят о том,
что в России железо было известно уже 2000 лет назад.
В VII и VIII веках во многих русских городах производи-
лась обработка металлов. Сохранились документы, гово-
рящие о том, что ещё в XIV веке Россия вывозила желез-
ные изделия в Чехию, а позднее и в другие страны Запад-
ной Европы.
Русские мастера по металлу достигли высокого искус-
ства. Русские литейщики одними из первых в мире начали
отливать медные, а затем чугунные пушки. Один из ино-
странных послов в России в XVI веке писал: «На Руси
отливают столь большие чугунные пушки, что воин в пол-
ном вооружении, стоявший на дне их, не мог достать
рукою до их края». В 1586 году мастер Андрей Чохов
отлил «царь-пушку» весом в 40 тонн, находящуюся и по-
ныне в Московском Кремле. Русские мастера Моторины
в XVIII веке отлили «царь-колокол»; он весил 12 тысяч
пудов и своими размерами превосходил все колокола
мира. По заказу англичан в России был отлит большой
колокол Вестминстерского аббатства в Лондоне.
Металлургическая промышленность России особенно
быстро стала развиваться в первой четверти XVIII века,
при Петре I. Если к началу XVIII века Россия выплав-
ляла всего около 150 тысяч пудов чугуна — в пять раз
меньше, чем Англия,— то в 1724 году Россия уже опе-
редила Англию и выплавляла больше миллиона пудов
чугуна. В 1800 году выплавка чугуна в России составляла
уже около 10 миллионов пудов.
Однако экономическая отсталость царской России и её
зависимость от иностранного капитала мешали развитию
русской промышленности и металлургического дела.
Победа Великой Октябрьской социалистической рево-
люции в нашей стране привела к созданию новой, социа-
листической системы народного хозяйства. Из отсталой
земледельческой страны Советский Союз должен был
стать передовой индустриально-аграрной державой. По-
этому большевистская партия и советское правительство
прежде всего направили внимание на развитие отечествен-
ной тяжёлой промышленности. В годы сталинских пяти-
4
леток в СССР происходит небывалый рост производства
металлов и создаются новые мощные предприятия, такие
гиганты социалистической промышленности, как Магни-
тогорский и Кузнецкий металлургические комбинаты
имени товарища Сталина, «Азовсталь», Запорожский
комбинат и другие. Накануне Великой Отечественной вой-
ны в нашей стране чугуна производилось почти в 4 раза
больше, а стали — в 4,5 раза больше, чем в 1913 году.
По выплавке этих основных материалов техники Совет-
ский Союз занял первое место в Европе.
В своей речи перед избирателями 9 февраля 1946 года
товарищ Сталин поставил перед советским народом сле-
дующие задачи на ближайшее будущее: «Нам нужно до-
биться того, чтобы наша промышленность могла произ-
водить ежегодно до 50 миллионов тонн чугуна, до 60 мил-
лионов тонн стали, до 500 миллионов тонн угля, до 60 мил-
лионов тонн нефти. Только при этом условии можно счи-
тать, что наша Родина будет гарантирована от всяких
случайностей. На это уйдёт, пожалуй, три новых пяти-
летки, если не больше. Но это дело можно сделать, и мы
должны его сделать».
По послевоенному пятилетнему плану выплавка чугуна
в 1950 году в нашей стране должна была составить
19,5 миллиона тонн, а выплавка стали — 25,4 миллиона
тонн. В этих цифрах — небывалый рост мощи Советского
Союза: новые величественные стройки коммунизма, ты-
сячи километров новых железнодорожных путей, огром-
ное число паровозов, вагонов, автомобилей, тракторов,
морских и речных судов, самолётов, станков и т. д.
В докладе, посвящённом 34-й годовщине Великой Ок-
тябрьской социалистической революции, тов. Л. П. Берия
следующим образом охарактеризовал темпы развития
металлургии за 1951 год: «По сравнению с прошлым го-
дом один лишь прирост выплавки чугуна составит в этом
году 2 миллиона 700 тысяч тонн, стали — около 4 мил-
лионов тонн, проката — 3 миллиона тонн. Советский
Союз выплавляет сейчас стали примерно столько же,
сколько Англия, Франция, Бельгия и Швеция, вместе
взятые».
Железо — основа техники нашего века. Однако в на-
стоящее время технике нужны почти все имеющиеся в зем-
ной коре металлы.
5
Современная техника предъявляет к металлам и спла-
вам самые разнообразные требования. Для постройки
реактивных самолётов требуются прочные сплавы, стой-
кие к действию высоких температур. Для химической про-
мышленности требуются металлы, которые не разру-
шаются под действием различных химических веществ.
Для электротехнической промышленности нужны металлы,
легко намагничивающиеся и легко размагничивающиеся,
и т. д. Всем этим требованиям удовлетворяют новые
сплавы, создаваемые учёными и практиками-металлур-
гами Советского Союза.
Предлагаемая книжка знакомит читателя с основными
свойствами металлов.
1.	МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Из всех известных в природе химических элементов
около 70 являются металлами. Металлы — весьма рас-
пространённые элементы. В недрах земли, в водах рек,
озёр, морей и океанов, в организмах животных и расте-
ний, даже в атмосфере — всюду есть металлы.
На стр. 7 мы приводим таблицу, в которой показано
распространение различных химических элементов в зем-
ной коре*).
Самыми распространёнными металлами являются
алюминий и железо. За ними следуют кальций, натрий,
магний, калий. Есть металлы, содержание которых в зем-
ной коре исчисляется лишь миллионными (золото), мил-
лиардными (радий) и ещё меньшими долями процента
по отношению к общему весу земной коры.
В далёких глубинах земных недр количество метал-
лов возрастает; здесь находятся главным образом такие
металлы, как железо, кобальт, никель, титан, платина.
Центральное ядро Земли, по современным предположе-
ниям учёных, составляют железо и никель с небольшой
примесью кобальта, хрома и элементов-неметаллов —
фосфора, углерода и серы.
В водах рек и морей содержатся самые различные ме-
таллы и всегда — натрий, калий, магний, кальций; они
*) В таблице учитываются и металлы, встречающиеся в виде
самородков, и металлы, входящие в состав различных сложных
веществ.
6
Средний состав земной коры (до глубины 16 км)
Химический элемент	Содержится в процентах (по весу)	Химический элемент	Содержится в процентах (по весу)
Кислород ....	49,1	Марганец ....	0,1
Кремний 		26,0	Фтор		0,08
Алюминий ....	7,5	Барий 		0,04
Железо		4,2	Азот		0,04
Кальций ....	3,3	Цирконий ....	0,03
Натрий 		2,4	Стронций ....	0,02
Магний		2,35	Ванадий 		0,02
Калий 		2,35	Хром		0,02
Водород 		1,0	Никель		0,02
Титан		0,5	Бром		0,01
Углерод 		0,4	Литий		0,01
Хлор		0,2	Бериллий ....	0,01
Фосфор		0,1	Медь		0,01
Сера		0,1	Остальные элементы	0,09
входят в состав солей, растворённых в воде. Хотя боль-
шинство металлов находится в морской воде в ничтожно
малых концентрациях, однако общее количество метал-
лов, рассеянных в водах всех морей и океанов Земли, до-
вольно велико: миллионы тонн золота, десятки миллионов
тонн серебра, ртути и т. д.
Много различных металлов — в виде соединений —
есть в организмах животных и растений. Всегда встре-
чаются в них кальций, калий, железо. Есть также
медь, цинк, кадмий, литий и т. д., но количество их
очень мало.
В окружающей Землю атмосфере всегда носятся мель-
чайшие кристалики морских солей и различные пылинки,
в состав которых также входят металлы.
Металлы по своим свойствам сильно отличаются от
других элементов, неметаллов. Двести лет назад М. В. Ло-
моносов впервые дал ясное понятие о том, что такое
металл. Он писал: «Металлы — тела твёрдые, ковкие,
блестящие». Это простое определение сохранило свой
смысл и в настоящее время. Мы знаем, что все металлы
имеют особый «металлический» блеск. Почти все метал-
лы ковки и прочны. Металлы хорошо проводят тепло
и электрический ток. Благодаря этим качествам они
и получили самое разнообразное применение в технике
и в быту.
7
Вполне очевидно, что широкое использование того или
иного металла в промышленных целях во многом зависит
от того, насколько много этого металла в земной коре и
насколько богаты им те или другие руды.
В земной коре лежат миллиарды тонн железа. Многие
железные руды богаты железом. Металлурги используют
сейчас руды, содержащие не менее 30% железа. Из каж-
дой тонны такой руды можно выплавить примерно 300 ки-
лограммов металла. Поэтому железо — один из металлов,
наиболее широко используемых в технике.
Медные и свинцовые руды обычно содержат 1—2%
меди или свинца. Из каждой тонны таких руд можно
добыть 10—20 килограммов металла.
В одной тонне золотоносной руды часто содержится
в среднем лишь 5 граммов золота. В ещё меньших коли-
чествах встречаются в рудах такие металлы, как воль-
фрам, молибден, рений. Ясно, что ни золото, ни рений не
могут быть использованы в промышленности так же ши-
роко, как, например, железо или медь.
Чистые металлы, то-есть металлы, не содержащие в
себе никаких примесей, не обладают достаточно высокой
прочностью и применяются сравнительно мало. В тех-
нике используются главным образом сплавы.
Сплавы — это сложные вещества. В состав сплава
могут входить два или несколько химических эле-
ментов. Так, например, латунь — это сплав меди с цин-
ком, обычная сталь — сложный сплав железа с угле-
родом и неизбежной примесью кремния, марганца, серы
и фосфора.
Иногда самых незначительных примесей другого эле-
мента достаточно, чтобы резко изменились свойства
сплава. Так, если в стали содержится всего лишь около
0,2% углерода, то её прочность возрастает более чем
в два раза по сравнению с чистым железом. Сплав алю-
миния с 4% меди, магния и марганца в 3—4 раза прочнее,
чем чистый алюминий.
Сплав всегда прочнее, чем чистые металлы, которые
входят в его состав. Повышенная прочность сплавов имеет
громадное практическое значение. Чем выше прочность
сплава, тем меньше его надо для постройки той или дру-
гой машины, тем легче вес и меньше стоимость этой ма-
шины. Поэтому советские учёные непрерывно ведут поиски
всё новых и новых высокопрочных сплавов.
8
Все металлы и сплавы, которые использует техника,
делятся на два основных класса (рис. 1).
Первый класс — это чёрные металлы. К этому
классу относятся железо и все железные сплавы, в кото-
рых железо составляет основную часть: чугуны и стали.
Чугун — это железный сплав, который содержит больше
2% углерода и небольшие количества кремния, марганца,
серы и фосфора. В стали углерода не более 2%.
При изготовлении специальных, так называемых л е-
гированных сталей и чугунов в сплав вводят хром,
никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и
другие металлы, иногда до 5—6 различных металлов. Та-
ким путём получают различные ценные стали, которые
обладают в одних случаях повышенной прочностью, в дру-
гих — высоким сопротивлением истиранию, свойством не
окисляться на воздухе, не разрушаться под действием
кислот и других химических веществ и т. д.
Кроме того, к чёрным металлам относятся ферро-
сплавы. Это — сплавы железа с марганцем (ферро-
марганец), с кремнием (ферросилиций), с хромом (фер-
рохром), с титаном (ферротитан) и др. Эти сплавы содер-
жат приблизительно от 15 до 60% специальных элементов.
Ферросплавы нужны для изготовления сталей.
Второй класс — это цветные металлы. Назва-
ны они так потому, что имеют различную окраску. Медь,
например, — светлокрасная, никель и олово — серебристо-
белые, цинк — светлосерый, свинец — голубовато-белый,
золото — жёлтое. К цветным металлам относятся и сплавы
этих металлов: различные бронзы (сплавы меди с оловом
и другими металлами, кроме цинка), латуни, баббиты
(сплавы олова с сурьмой и медью) и другие.
Нужно отметить, что деление на чёрные и цветные ме-
таллы условно, так как и среди цветных металлов встре-
чаются металлы более чёрные, чем «чёрные металлы»,
например некоторые свинцовые сплавы.
Цветные металлы, в свою очередь, можно разделить
на четыре группы: тяжёлые, лёгкие, редкие и
благородные металлы (см. рис. 1).
К тяжёлым металлам относятся: медь, ни-
кель, свинец, олово, цинк, хром, марганец и их сплавы.
Тяжёлыми их называют потому, что они имеют сравни-
тельно высокий удельный вес (удельный вес — это вес
одного кубического сантиметра вещества).
9
бронзы
Никелевая
Кремнистая
Латуни
Хромо-
никелевый
Магниевые
сплавы
Хромомарган-
цовистый
Платина
и.её сплавы
Сплавы
сцинком
Сплавы
смагнием
I
Силумины
Дуралюмины
бериллиевые |
сплавы
'сплавы
Титан
Ниобий
Рис. 1. «Дерево» металлов.
Медистая
Кремнистый
Никелевый I
ван
Марган-
цовая
Ртуть
и ее сплавы
Свинец\
иегоспл
Олово
и его сплавы
Цинк
и его сплавы
Никель
и его сплавы
Серый
Сплавы
с медью
Вольфрам
Молибден
Ванадий
Цирконий
10
На рисунке 2 приведены удельные веса различных ме-
таллов.
Лёгкие металлы — металлы с небольшим удель-
ным весом. Это алюминий, магний, литий, бериллий и
др. Алюминий легче железа почти в 3 раза, а магний —
в 4,5 раза. Самый лёгкий из всех металлов — литий: он
в 15 раз легче железа и почти в 2 раза легче воды.
Рис. 2. Удельные веса различных металлов.
Лёгкие металлы стали известны сравнительно недавно:
самый старший из них — бериллий — был открыт около
полутораста лет назад. Алюминий и магний имеют сейчас
исключительно важное промышленное значение. Без алю-
миниевых и магниевых сплавов трудно представить само-
лётостроение. Лёгкие алюминиевые сплавы нужны для
автомобильной, машиностроительной промышленности,
для судостроения.
Алюминий нередко называют металлом XX века. Он
производится теперь в громадных количествах. А ведь
лет 50 назад он считался драгоценным металлом; в 1899 го-
ду великий русский учёный Д. И. Менделеев во время
своего пребывания в Лондоне получил от английских
учёных подарок — весы, сделанные из золота и алюминия.
Таких металлов, как ванадий, цирконий, молибден,
кобальт, теллур, вольфрам, очень мало в земной коре;
в настоящее время не известно ни одной руды, тонна кото-
рой содержала бы их в количестве, большем, чем тысяч-
ные доли грамма. Поэтому они называются редкими
11
Металлами. Правда, циркония и ванадия, например,
в земной коре гораздо больше, чем хорошо всем извест-
ного свинца. Но цирконий и ванадий — более рассеянные
элементы, и извлечение их из руд связано с громадными
трудностями.
В современной технике значение редких металлов
растёт с каждым годом. Они используются главным обра-
зом для производства легированных сталей и других цен-
ных сплавов, необходимых для химической промышлен-
ности, электротехники, радиотехники и приборостроения.
Наконец, последняя группа цветных металлов — бла-
городные металлы: серебро, золото, платина, ру-
тений, палладий и некоторые другие. Эти металлы не
окисляются на воздухе даже при повышенной температуре
и не разрушаются при действии многих химических
веществ. Используются они в приборостроении, в элек-
троламповой промышленности, для изготовления химиче-
ской аппаратуры и т. д.
В настоящее время в технике применяются все имею-
щиеся в земной коре металлы.
2.	СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
МЕТАЛЛ ПОД МИКРОСКОПОМ
Когда мы рассматриваем кусок стали, меди, свинца или
какого-либо другого металла невооружённым глазом,
металл нам кажется совершенно однородным, сплошным.
С помощью лупы можно увидеть, что поверхность
одного металла оказывается зернистой, поверхность дру-
гого имеет волокнистый вид (рис. 3). Можно также рас-
смотреть на поверхности трещины, раковины и т. д.
Долгое время считалось, что металлы — вещества
аморфные, то-есть бесформенные, такие же, как, напри-
мер, воск или стекло. Но в 1878 году, изучая процесс за-
твердевания жидкой стали, великий русский металлург
Д. К. Чернов установил, что при застывании сталь обра-
зует сложную систему кристаллов.
Любой металл состоит из огромного множества мель-
чайших кристаллических зёрнышек, крепко соединённых
друг с другом. Их можно отчётливо видеть только при
помощи микроскопа с большим увеличением.
12
Первым учёным, применившим микроскоп для изуче-
ния строения металлов, был замечательный русский ме-
таллург первой половины прошлого века П. П. Аносов.
Чтобы различить внутреннее строение или, как гово-
рят, структуру металла под микроскопом, поверх-
ность металла особым образом обрабатывают.
Почему нужна эта обработка? Обычно поверхность
металла состоит из громадного количества выступов и
впадин, и если бы мы наблюдали в микроскоп такую
Рис. 3. Зернистое строение литой стали и волокнистое строение
стали после прокатки.
необработанную поверхность, выступы и впадины затем-
нили бы нам истинную картину строения металла. Кроме
того, поверхность, как правило, покрыта тончайшей плён-
кой окислов (соединений металла с кислородом) и раз-
личными загрязнениями. Поэтому поверхность металла
сначала тщательно зачищают напильником или наждач-
ным кругом, затем шлифуют и полируют. После такой
обработки поверхность становится зеркальной. Образец
металла с зеркальной поверхностью называют шли-
фом. Далее поверхность шлифа подвергается тра-
влению: смачивается в течение двух-трёх минут спе-
циальным раствором, содержащим кислоты и другие
вещества, а потом промывается водой.
Способ приготовления и травления шлифов впервые
был разработан П. П. Аносовым. В основных чертах этот
способ используется и теперь.
ia
Различные зёрна сплава разъедаются кислотой неоди-
наково, и поэтому после травления на поверхности шлифа
выступают грани отдельных кристаллов. Если протравлен-
ный шлиф, находящийся под микроскопом, осветить, то
часть зёрен отражает падающий на них свет прямо на
объектив, и такие зёрна при наблюдении в микроскоп
Рис. 4. Металломикроскоп. Справа вверху — лучи света, отражённые
от поверхности шлифа, идут в объектив микроскопа. Справа
внизу — поверхность чистого железа под микроскопом.
кажутся светлыми. Другие зёрна отражают свет в сторону
и кажутся тёмными. Кроме того, разные зёрна после трав-
ления нам кажутся окрашенными по-разному. Это также
помогает разобраться в строении металла.
При микроскопическом изучении металлов приме-
няется боковое освещение, так как все металлы непро-
зрачны и освещать их снизу нельзя. Источник света
располагается так, чтобы часть отражённых поверхностью
шлифа лучей попадала в объектив (рис. 4).
14
С помощью микроскопа можно узнать, какое строение
имеют металлы, как расположены в сплаве отдельные
зёрна, какие неметаллические включения содержит сплав,
есть ли в сплаве мельчайшие трещины и т. д. Микроскоп
является теперь чрезвычайно распространённым средст-
вом исследования металлов.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕШЁТКИ
Все металлы — вещества кристаллические. Что же та-
кое кристаллы?
Слово «кристаллов» у древних греков обозначало лёд.
Впоследствии этим словом стали называть все твёрдые
тела, имеющие естественную строго определён-
ную геометрическую форму. Кристаллы весь-
ма распространены в природе. Подавляющее большинство
твёрдых тел имеет кристаллическое строение.
Железо при затвердевании образует кристаллы в виде
кубиков. Но на рисунке 4 мы видим кристаллы железа
неправильной формы, кристаллиты, имеющие вид
зёрен. Почему это происходит? Как растут кристаллы?
Ответ на эти вопросы впервые дал Д. К. Чернов. Впо-
следствии справедливость его взглядов была подтвержде-
на работами многих советских учёных.
В расплавленный металл неизбежно попадают пы-
линки, пузырьки воздуха и другие посторонние включе-
ния. Как правило, именно вокруг этих мельчайших части-
чек начинают группироваться беспорядочно расположен-
ные в остывающем металле атомы. Кроме того, центрами
кристаллизации служат и комплексы атомов, самопро-
извольно возникающие в охлаждаемом металле. Так об-
разуются зародыши будущих кристаллов (рис. 5, а).
По мере охлаждения металла количество зародышей уве-
личивается. Каждый зародыш вырастает в отдельный кри-
сталик (рис. 5, б). Растущие кристаллы в определённый
момент начинают теснить друг друга (рис. 5, в), и их
правильная форма искажается. Нарушению формы кри-
сталлов способствует и неодинаковая температура в раз-
личных местах остывающего металла. Поэтому в расплаве
и возникают зёрна (рис. 5, г) и древовидные образования
из сросшихся друг с другом отдельных мелких кристали-
ков — дендриты. Кристаллические зёрна и дендриты
в застывшем металле могут быть различной формы и ве-
15
личины. Они отделены друг от друга отдельными прослой-
ками, которые отчётливо видны под микроскопом
(см. рис. 4). Эти прослойки состоят из различных неметал-
лических включений, которые всегда присутствуют в ме-
талле.
Получить металл, который состоял бы только из одного
кристалла — монокристалла, в обычных условиях
Рис. 5. Схема роста кристаллов в застывающем расплаве:
а — образуются зародыши, б растут кристаллы, в— кристаллы
начинают теснить друг друга, г — отдельные зёрна сращиваются.
не удаётся. Объясняется это тем, что в расплаве одновре-
менно зарождается множество кристаллов. Однако для
изучения некоторых свойств металлов, как мы увидим
дальше, необходимо бывает иметь монокристалл, и в на-
стоящее время разработаны способы искусственного вы-
ращивания монокристаллов (осторожное охлаждение
расплава и другие способы).
И в зёрнах, и в дендритах, и в монокристалле одного
и того же металла атомы располагаются в строго опреде-
лённом порядке; они образуют ту или другую про-
странственную решётку.
Атомы нельзя увидеть ни в какой микроскоп. Однако,
освещая кристалл рентгеновскими лучами и изу-
чая рентгенограмму, то-есть картину, которая со-
16
здаётся этими лучами после прохождения их через кри-
сталл на фотопластинке, удаётся глубоко заглянуть в мир
кристаллов. Удаётся узнать, как расположены
в кристаллической решётке различные атомы и каковы
расстояния между этими мельчайшими частицами
вещества, частицами, которых мы не можем видеть.
Рентгеновские исследования показали, что среди ме-
таллов чаще всего встречаются три типа пространствен-
ных решёток.
Первый тип — кубическая объёмноцентри-
рованная решётка. Атомы в такой решётке нахо-
дятся в вершинах и в центре куба (поэтому-
то решётка и называется объёмноцентрированной). Каж-
дый атом окружён восемью ближайшими соседними
атомами (рис. 6, а). Такую решётку имеют литий, хром,
ванадий, молибден, вольфрам.
Второй тип решётки — кубическая гранецен-
трированная (рис. 6, б). Атомы расположены п о
вершинам и центрам граней куба. Такой
решёткой обладают, например, алюминий, медь, свинец,
никель, золото, серебро, платина.
Третий тип — гексагональная (шестиугольная)
плотно упакованная решётка (рис. 6, в). Она встречается
у магния, цинка, кадмия, бериллия.
Марганец, висмут, белое олово и некоторые другие ме-
таллы имеют более сложные решётки.
Изучая рентгенограммы различных кристаллов, учёные
пришли к убеждению, что атомы «упаковываются» в про-
странстве примерно таким же образом, каким можно упа-
ковывать твёрдые шары. Поэтому на рисунке 6 атомы ус-
ловно изображены в виде шариков (расстояния между
ними в левой части рисунка заведомо увеличены, чтобы
яснее представить строение кристаллической решётки).
И в кубической гранецентрированной, и в гексагональ-
ной решётке каждый атом металла окружён двенадцатью
ближайшими соседними атомами. Чем больше соседей у
атома в кристаллической решётке, тем больше места в ре-
шётке занято самими атомами. Наиболее плотная «упаков-
ка» атомов — в гранецентрированной и гексагональной ре-
шётках. Здесь атомам принадлежит 74% пространства,
занимаемого кристаллами. В кубической объёмноцен-
трированной решётке атомы занимают только 68%
пространства.
2
Д. О. Славин
17
Нужно сказать, что в металлических кристаллах нет
нейтральных атомов; пространственные решётки соста-
влены из положительно заряженных атомов, из ионов.
Рис. 6. Типы кристаллических решёток металлов: а—кубическая
объёмноцентрированная решётка, б — кубическая гранецентрированная
решётка, в — гексагональная решётка (плотная упаковка).
Каждый атом металла всегда теряет одну или несколько
частиц отрицательного электричества — электронов,
п становится ионом. Ионы закреплены в «узлах» простран-
ственной решётки — вершинах и центре куба, в центрах
граней и т. д., в зависимости от типа решётки. Электроны
же беспорядочно блуждают между ионами.
18
Природа кристаллической решётки и расположение в
ней атомов оказывают большое влияние на многие свой-
ства веществ. Об этом мы ещё будем говорить подробно,
а сейчас познакомимся с одной интересной особенностью
кристаллов, которая называется «анизотропией» и объяс-
няется их строением. Слово «анизотропия» по-гречески
означает «неравное свойство». Анизотропия — это неод-
нородность свойств кристалла в
разных направлениях.
По одним направлениям кри-
сталлы разрушаются легче, чем по
другим. Если растягивать монокри-
сталл меди перпендикуляр-
но грани куба, то для того,
чтобы его разорвать, требуется
напряжение, равное 14,6 кг!мм2
(килограмма на квадратный мил-
лиметр); если же растягивать из-
готовленный из того же монокри-
Рис. 8. Стекло проводит тепло оди-
наково быстро во всех направлениях.
Олово проводит тепло в одних на-
правлениях хуже, чем в других.
Рис. 7. Прочность кристалла
меди в разных направлениях
различна.
сталла образец по диагонали куба, то для разрыва
требуется напряжение, равное уже 35 кг!мм2 (рис. 7). Это
показывает, что кристаллы меди в одном направлении
обладают более высокой прочностью, чем в другом.
Неодинакова по разным направлениям и теплопровод-
ность кристаллов. В этом убеждает нас такой опыт
(рис. 8). Возьмём кристалл белого олова и для сравне-
ния — кубик, вырезанный из стекла (стекло представ-
ляет собой изотропный материал — его свойства оди-
наковы по всем направлениям). Покроем их грани парафи-
ном, а затем поднесём к ним горячую иглу» Расплавленный
2*
19
слой парафина на стекле будет иметь форму круга, а на
олове — овальную форму. Это значит, что олово по одним
направлениям проводит тепло хуже, чем по другим,
а стекло — по всем направлениям одинаково *).
ЧТО ТАКОЕ АЛЛОТРОПИЯ?
Кому из читателей не знакомы графит и алмаз? Гра-
фит — это очень мягкий непрозрачный минерал серовато-
чёрного цвета, который употребляется для изготовления
простых карандашей. Алмаз — полная противоположность
графиту: он прозрачен, бесцветен и очень твёрд; из всех
известных нам веществ ни одного нет твёрже, чем алмаз.
И в то же время оба эти минерала — кристаллический
углерод. Чем же объясняются такие поразительные отли-
чия в свойствах графита и алмаза? Разницей в строении
их кристаллических решёток.
Свойства некоторых веществ образовывать кристаллы
разной формы называют аллотропией (в переводе с
греческого это слово означает «другой поворот», «другое
свойство»).
Аллотропия наблюдается довольно широко и в мире
металлов. Обычное серебристо-белое олово имеет сложную
кристаллическую решётку. Эта решётка устойчива при
температуре выше 18°. При более низкой температуре ато-
мы олова в кристаллах начинают перестраиваться. Упа-
ковка атомов с течением времени становится менее плот-
ной, кристаллы увеличиваются в объёме и разрушаются.
Белое олово теряет блеск и пластичность и превращается
в хрупкое серое олово, имеющее уже другую кристалли-
ческую решётку. Такой процесс хорошо заметен на храня-
щихся в музеях старинных оловянных вазах, медалях.
Чем ниже температура, тем быстрее рассыпается олово.
Разрушение олова при переходе его из одной кристалли-
ческой формы в другую издавна получило название «оло-
вянная чума». В настоящее время известен очень простой
способ предупреждения этого «заболевания»: олово спла-
вляется с незначительными количествами меди, свинца
или никеля. Такой сплав хорошо сохраняется и при низ-
ких температурах.
*) Более подробно о свойствах кристаллов рассказывается в бро
шюре проф. А. И. Китайгородского «Кристаллы», Научно-популяр-
ная библиотека Гостехиздата.
20
Железо, цинк, никель, кобальт, марганец, вольфрам и
другие металлы также могут существовать в нескольких
кристаллических формах и подвергаться аллотропическим
превращениям — переходить из одной кристаллической
формы в другую.
Истинные причины аллотропических превращений ещё
не установлены достаточно точно. Известно, что аллотро-
пическое превращение может быть вызвано изменением
температуры, давлением, а иногда посторонними приме-
сями. Особенно большое значение для практики, как
мы сейчас узнаем, имеют аллотропические превращения
железа,
ТОЧКИ ЧЕРНОВА
Инженер Д. К. Чернов в 1866 году начал работу в
сталеплавильном цехе военного завода в Петербурге.
Дмитрий Константинович Чернов
(родился в 1839 году, умер в 1921 году).
Почему одни пушки, выпускаемые заводом, прочны и
долговечны, а другие быстро разрушаются? Не зависит
ли прочность стали от её обработки? Вот вопросы, которые
поставил перед собой инженер Чернов.
21
Первые же исследования убедили Чернова в том, что
непрочная орудийная сталь всегда оказывается крупно-
зернистой. Но почему в одних случаях в стали образуются
крупные зёрна, а в других — мелкие? Может быть, вели-
чина зерна зависит от режима ковки и закалки?
Чернов начал выяснять, что происходит со сталью при
закалке. Он нашёл, что при нагревании сталь не остаётся
неизменной: при определённых температурах меняются и
размеры кристаллов (зёрен) и свойства стали. Эти тем-
пературы Чернов назвал критическими точками
а и Ь; теперь их называют точками Чернова.
В те времена ещё не было приборов для измерения вы-
соких температур и наблюдения за режимом велись «на-
глазок», по цвету нагретой стали. В точке а, например,
сталь имела темновишнёвый цвет (около 700°), а в точке
b — матово-красный (800—850°). В своих лекциях по ме-
таллургии в Артиллерийской академии Д. И. Чернов при-
водит шкалу всех критических температур для стали:
Критический
200°	450°	промежуток
d в а b (х)к_____________________________с
Температура Температура (_I	Температура
охлаждения полного	Красное	плавления
для полней	отпуска каление
закалки
Какое же значение имеют эти критические точки?
Между точками х и с лежат температуры плавления
различных сталей. Точка а — это та температура, при ко-
торой сталь уже способна принимать закалку. «Сталь, как
бы она тверда ни была,— писал Чернов,— будучи нагрета
ниже точки а, не принимает закалки», то-есть не становит-
ся более твёрдой при последующем быстром охлаждении
в воде или в масле. «Сталь, нагретая ниже точки Ь,—
писал далее Чернов, — не изменяет своей структуры, мед-
ленно ли или быстро после того она охлаждается... Как
только температура стали возвысилась до точки Ь, масса
стали быстро переходит из зернистого (или, вообще го-
воря, кристаллического) в аморфное (воскообразное) со-
стояние».
Позже было, однако, установлено, что при нагревании
выше точки b сталь сохраняет кристаллическое строение,
но кристаллическая решётка железа изменяется: из
22
кубической объемноцентрированной (альф а-железо)
она превращается в кубическую гранецентрированную
решётку (гамма-железо). Если такую сталь очень
быстро охладить в воде, то структура стали снова резко
изменяется. Под микроскопом мы увидим тёмные пере-
крещивающиеся друг с другом иглы (рис. 9). Это так на-
зываемый мартенсит. Он-то и придаёт стали очень
высокую твёрдость и хрупкость после закалки. Мартен-
сит неустойчив и может рас-
падаться даже при комнатной
температуре, правда, очень
медленно. При нагревании мар-
тенсит распадается быстро.
Структура мартенсита и усло-
вия его образования были тща-
тельно изучены советским учё-
ным, ныне членом-корреспон-
дентом Академии наук СССР
Г. В. Курдюмовым.
Точка d — 200° — соответ-
ствует температуре охлаждения
для полной закалки. До этой Рис- 9- Иглы мартенсита,
точки нужно быстро охлаждать
сталь при закалке, чтобы сталь была твёрдой. При 200°
в стали образуется мартенсит.
Закалённая сталь хрупка. Для устранения хрупкости
сталь подвергается отпуску — снова нагревается до
200—600°, а затем охлаждается. При этом мартенсит рас-
падается и из него выделяется смесь частиц почти чистого
железа — феррита и химического соединения железа
с углеродом — цементита. Чем выше температура
отпуска, тем быстрее и полнее происходит распад мартен-
сита и тем крупнее выделяющиеся кристаллы феррито-
цементитной смеси; чем выше температура отпуска, тем
более мягкой и вязкой становится сталь.
Инструментальная сталь (для зубил, отвёрток, пил,
резцов и т. д.) нагревается при отпуске обычно только до
200° — при этой температуре твёрдость понижается мало,
но хрупкость устраняется в значительной степени.
Отпуск стальных пружин и некоторых штампов про-
изводят при температурах до 400—500°; при этом твёр-
дость заметно снижается и сталь становится пластичной.
23
Конструкционные стали, из которых делаются ответст-
венные детали автомобилей, тракторов, самолётов, после
закалки, как правило, подвергаются высокому от-
пуску, нагреваются до 550—650°. При этом сталь при-
обретает благоприятные сочетания прочности и пластич-
ности; детали, изготовленные из такой стали, долговечны.
Точка е соответствует температуре 450°. Это — точка
полного отпуска: мартенсит, сообщающий стали высокую
твёрдость и хрупкость, при 450° распадается полностью.
Чернов изучил и режим ковки: болванку нужно нагреть
до температуры 1200—1250°, и когда сталь станет пла-
стичной, ковать её до тех пор, пока она не остынет до точки
& (800—850°). При высоких температурах сталь имеет
крупнозернистое строение, и если ковку кончить не в точке
&, а при температуре, допустим, 1000°, крупные зёрна ос-
танутся нераздроблёнными, и сталь получится непрочная.
Д. К. Чернов впервые в истории науки указал, что свой-
ства сплава зависят от его внутреннего строения и, чтобы
придавать сплавам те или другие ценные свойства, нужно
подробно изучать все изменения, которые происходят при
термической и механической обработке сплавов.
Значение работ Д. К. Чернова для науки о металлах
и техники чрезвычайно велико. В 1900 году на Всемирной
выставке в Париже французский металлург Поль Мон-
гольфье обратился к собравшимся со следующими сло-
вами: «Считаю своим долгом открыто и публично зая-
вить в присутствии стольких знатоков и специалистов,
что наши заводы и всё сталелитейное дело обязаны на-
стоящим своим развитием и успехом в значительной мере
труду и исследованиям русского инженера Чернова».
Известный советский учёный А. А. Байков в статье,
посвящённой столетию со дня рождения Д. К. Чернова,
так оценивает значение работ Д. К. Чернова: «Д. К. Чер-
нов является величайшим гениальным учёным, который
своими замечательными исследованиями произвёл в ме-
таллургии полную революцию. Значение Д. К. Чернова
для металлургии можно сравнить со значением
Д. И. Менделеева для химии. Подобно тому как химия в
своём дальнейшем развитии будет итти по пути, указан-
ному Д. И. Менделеевым, так и металлургия стали будет
развиваться в том направлении, которое было указано
Д. К. Черновым».
24
СТРОЕНИЕ СПЛАВОВ
Мы уже знаем, что сплавы — это кристаллические ве-
щества, состоящие из атомов двух или нескольких химиче-
ских элементов.
Сплавы получаются обычно путём сплавления
либо металлов друг с другом, либо металлов с неметал-
лами. Расплавленные металлы обычно хорошо растворяют-
ся один в другом и дают однородный жидкий раствор.
Так, медь растворяется в никеле, свинец — в сурьме. По-
лучаемые таким путём сплавы называются литыми.
В настоящее время ряд сплавов получают также спе-
канием. Для этого из металлов, которые должны войти
в состав сплава, приготовляют тонкие порошки, перемеши-
вают их, прессуют, а затем спекают при соответствующих
температурах и таким образом получают нужные сплавы.
Спекание применяется иногда для получения подшипнико-
вых сплавов (железа с графитом, железа со свинцом) и
сплавов из тугоплавких металлов, например из кобальта
и карбидов (соединений с углеродом) вольфрама и тита-
на. Прессование и спекание смеси порошков производится
в специальных пресс-формах, имеющих точную форму и
размеры будущих изделий, и поэтому дальнейшая обра-
ботка сплавов оказывается ненужной.
Свойства сплава зависят не только от его химического
состава, но и от внутреннего строения, структуры
сплава. Поэтому в настоящее время при изучении спла-
вов строению их уделяется большое внимание.
Строение различных сплавов не одинаково. Состав-
ные части спл а в а могуто бразо в ать либо
механическую смесь, либо химическое
соединение, либо твёрдый раствор.
Что представляет собой механическая смесь?
Если тщательно смешать порошок мела и порошок серы
и посмотреть на полученную смесь в лупу, то можно уви-
деть отдельные зёрнышки мела и серы. Они не взаимодей-
ствуют друг с другом химически, а находятся в смеси в ви-
де самостоятельных частиц. Подобные смеси и называют
механическими. Такие смеси встречаются часто
среди сплавов. Например, сплав свинца и сурьмы — меха-
ническая смесь. Если посмотреть на этот сплав в микро-
скоп, то можно различить мельчайшие кристалики свинца
и сурьмы (рис. 10). Механические смеси может давать
25
алюминии с кремнием, свинец с сурьмой, висмут с кадмием
и т. д. В сплавах, которые состоят из механической смеси
двух элементов, всегда можно подобрать только один
определённый состав сплава, который имеет самую низ-
кую температуру плавления. Сплавы с таким составом на-
зываются эвтектическими или просто эвтек-
тиками (от греческого слова «эвтектос» — легкопла-
вящийся). Для сплава свинца с сурьмой состав эвтек-
Рис. 10. Сплав свинца и сурьмы
(схема структуры).
тики — 87% свинца и 13%
сурьмы, температура плав-
ления её 246°.
Металлы, образующие
эвтектику, плавятся одно-
временно, при одной и
той же температуре. Если
же в сплаве один из ме-
таллов находится в коли-
честве большем, чем это
нужно для эвтектики, то
он плавится при темпера-
туре более высокой.
Меняя в сплаве весо-
вые количества отдельных
элементов, можно получать сплавы с различными темпе-
ратурами плавления. Если, например, в 100 граммах
сплава свинца с сурьмой содержится только 5 граммов
сурьмы, то сплав плавится при температуре 296°, если
сурьмы 10 граммов, температура плавления равна 260°,
20 граммов — 280°, 40 граммов — 395° и т. д. Весьма
характерным для таких сплавов является то обстоятель-
ство, что все они начинают плавиться вне зависимости
от состава при температуре плавления эвтектики (246°),
а заканчивают — при разных температурах.
Эвтектические сплавы очень ценны. Они представляют
собой смесь чрезвычайно мелких кристаликов, имеют одно-
родное строение и обладают сравнительно высокой проч-
ностью и хорошими литейными свойствами, то-есть хорошо
заполняют литейную форму и дают небольшую усадку
(усадка — это уменьшение объёма отливки при переходе
сплава из жидкого состояния в твёрдое).
Эвтектический сплав, содержащий 45,3% висмута,
12,3% кадмия, 17,9% свинца и 24,5% олова, плавится при
70°. Из него делаются электрические предохранители.
26
Эвтектические сплавы алюминия с кремнием — си-
лумины — применяются для изготовления некоторых
деталей в авиамоторостроении.
Познакомимся теперь с твёрдыми раство-
рами.
Мы уже знаем, что расплавленные металлы могут рас-
творяться один в другом: атомы одного металла равно-
мерно распределяются в другом металле — растворителе.
Это такой же процесс, как и растворение сахара в воде.
При застывании сплава атомы растворённого металла так
и остаются «рассеянными» в другом металле, и образует-
ся твёрдый раствор.
Способность образовывать твёрдые растворы харак-
терна для многих металлов. Железо, например, образует
твёрдые растворы с углеродом, никелем, марганцем, крем-
нием и другими элементами; медь — с никелем, цинком,
алюминием, кремнием; алюминий — с медью, магнием.
Монеты, которыми мы сейчас пользуемся, являются твёр-
дыми растворами: одно-, двух-, трёх- и пятикопеечные мо-
неты — растворы алюминия в меди; десяти-, пятнадцати-
и двадцатикопеечные монеты — растворы меди в никеле.
В никеле может раствориться сколько угодно меди.
Точно так же и в меди могут растворяться неограниченные
количества никеля. (Конечно, когда в грамме никеля рас-
творяется килограмм меди, растворителем считают не ни-
кель, а медь.) Однако такая неограниченная рас-
творимость присуща далеко не всем металлам. Мно-
гие из них обладают ограниченной раствори-
мостью. Свинец, например, плохо растворяется в цинке,
в меди, в железе. Если расплавить вместе цинк и свинец,
то образуется два жидких слоя: в верхнем слое будет
жидкий цинк с небольшим количеством растворённого в
нём свинца, а в нижнем — свинец, растворивший немного
цинка. При затвердевании расплава оба эти слоя так и
остаются один над другим.
В твёрдом растворе атомы растворённого металла «рас-
сеяны» среди атомов металла-растворителя. Но ведь твёр-
дый раствор — кристаллическое тело. Как же построены
в нём кристаллы?
Рентгеновские исследования показали, что твёрдые
растворы могут быть построены по-разному (рис. 11).
Если твёрдый раствор содержит металлы, атомы кото-
рых имеют приблизительно одинаковые размеры (диа-
27
а	б
Рис. 11. Строение твёрдых раство-
ров: а — раствор внедрения, б —
раствор замещения.
метры их различаются не больше, чем на 15%), то
атомы растворённого металла не занимают каких-либо
особых положений,— они могут замещать атомы рас-
творителя в любом месте кристаллической решётки
(рис. 11, а). Поэтому такие сплавы называются твёр-
дыми растворами замещения. Это наиболее
часто встречающийся тип твёрдого раствора. Сплавы
железа с хромом, никелем, марганцем, сплавы меди с
никелем, кобальта с никелем образуют твёрдые растворы
замещения. Если атомные диаметры металлов отличаются
друг от друга больше, чем
на 15%, то твёрдые раство-
ры обычно не образуются.
Второй тип твёрдых
растворов — это рас-
творы внедрения.
Они образуются чаще
всего тогда, когда металл
растворяет в себе неме-
таллический элемент, ато-
мы которого значительно
меньше атомов растворителя. Атомы растворяющегося
элемента внедряются в промежутки кристалличе-
ской решётки между атомами растворителя, образуя
твёрдые растворы внедрения (рис. 11, б), К сплавам,
которые образуют такие твёрдые растворы, относятся
сплавы железа с углеродом, азотом и т. д.
Растворителем может быть не только чистый металл,
но и химическое соединение. Так, например, химическое
соединение алюминия с никелем может растворить в себе
как никель, так и алюминий.
У твёрдых растворов есть одно замечательное свойство.
Мы уже знаем, что атомы внутри кристалла находятся в
непрерывном колебательном движении. Советские учёные
А. Ф. Иоффе и Я. И. Френкель показали, что в то время,
как один из колеблющихся атомов на какой-то момент
времени покидает своё место в кристаллической решётке,
соседний атом может проскочить на освободившееся место.
В результате таких «перескоков» внутри кристаллической*
решётки происходит непрерывное перемещение атомов, тем
более оживлённое, чем выше температура сплава. На сво-
бодное место решётки, лежащей в поверхностном слое
сплава, способны перескочить и атомы другого вещества,
28
соприкасающиеся со сплавом. Эти «посторонние» атомы
могут проникать, диффундировать и в глубь спла-
ва, иначе говоря, растворяться в нём.
Способность сплавов-твёрдых растворов быть рас-
творителями имеет громадное значение в технике. Во мно-
гих машинах и механизмах есть детали — коленчатые
валы, шестерни, втулки и т. д., — сердцевина которых
должна быть упругой и вязкой, а поверхность — твёрдой,
прочной и стойкой к истиранию. Такие детали делают из
вязкой и мягкой малоуглеродистой стали, а затем прово-
дят следующую операцию. В железный ящик, куда насы-
пана смесь древесного угля с другими веществами, содер-
жащими углерод (например, углекислым барием) кладут
детали, плотно закрывают ящик и несколько часов нагре-
вают его до 900—950°. После этого поверхность детали
становится твёрдой и прочной. Почему это происходит?
При высокой температуре углерод растворяется в поверх-
ностном слое металла, и на детали образуется «корка» из
твёрдой высокоуглеродистой стали. Насыщение поверхно-
сти металла углеродом называют цементацией.
Таким же путём можно азотировать сталь, то-есть
насыщать её поверхность азотом (чтобы сделать сталь бо-
лее твёрдой),хромировать — насыщать хромом (что-
бы сталь была твёрдой и химически стойкой) и т. д.
Иногда при сплавлении отдельные части
сплава соединяются друг с другом хими-
чески. Так, например, вольфрам соединяется с углеро-
дом, и в сплаве образуется новая составная часть — кар-
бид. Кристалики химических соединений существуют в
структуре сплава самостоятельно, как одна из составных
частей механической смеси, или твёрдого раствора. Спла-
вов, которые состояли бы только из одних химических
соединений, нет.
Кристалики химических соединений обычно обладают
большой твёрдостью и хрупкостью. Особенной твёрдостью
отличаются карбиды таких металлов, как вольфрам, хром,
титан, ванадий, молибден. Поэтому они всегда находятся
в структуре твёрдых сплавов и быстрорежущих сталей.
Мир сплавов весьма разнообразен. Среди них часто
встречаются сплавы, которые, как мы уже видели, являют-
ся только механическими смесями, либо только
твёрдыми растворами. Таких сплавов очень много среди
простых сплавов, состоящих лишь из двух элементов.
29
В сложных сплавах — из трёх и более элементов — могут
встречаться одновременно твёрдый раствор и химическое
соединение, смесь чистого металла с его химическим со-
Жидкая сталь
луслсрииа.
Рис. 12. Структура стали с разным со-
держанием углерода при разных темпе-
ратурах.
ми АЦ и АЕ в стали находятся и
единением и т. д.
Для примера мы познакомимся с внутренним строением
самого распространённого в технике сплава — стали.
На рисунке 12
изображена диа-
грамма состоя-
ния стали, которая
показывает, как из-
меняется структура
стали в зависимости
от содержания угле-
рода (от 0 до 1,7%)
и от температуры.
Выше линии АЦ
сталь любого состава
находится в жидком
состоянии. При ох-
лаждении по линии
АЦ сталь начинает
затвердевать, из рас-
плава выделяются
кристаллы аусте-
нита. Аустенит —
это твёрдый раствор
цементита (химиче-
ское соединение уг-
лерода с железом) в
гамма-железе. В об-
ласти между линия-
ристаллы аустенита и
расплав. После затвердевания, то-есть ниже линии АЕ,
сталь состоит только из зёрен аустенита.
Аустенит существует в структуре стали без каких-либо
изменений лишь при высоких температурах (выше линии
ЖСБ). При более низких температурах аустенит начинает
распадаться.
Если в стали содержится менее 0,83% углерода, то при
медленном охлаждении сплава часть аустенита превра-
щается в почти чистое железо — феррит. Это происходит
при температурах, которые соответствуют линии ЖС.
30
Когда температура стали достигнет 720°, зёрна аустенита
окончательно распадаются и в сплаве образуется механи-
ческая смесь феррита с цементитом (химическим соеди-
нением железа с углеродом). Под микроскопом эта смесь
имеет своеобразный перламутровый блеск и поэтому на-
зывается перлитом. При дальнейшем охлаждении в
сплаве так и остаются зёрна чистого феррита и перлит.
Иная картина получается, если в стали находится боль-
ше 0,83% углерода. При медленном охлаждении такого
сплава феррит не образуется. При температуре, соответст-
вующей линии СЕ, из твёрдого раствора сразу выделяется
цементит, а затем, при 720°, весь оставшийся аустенит пре-
вращается в перлит. Медленно охлаждённая сталь состоит
из цементита и перлита.
В стали, содержащей 0,83% углерода, аустенит при
охлаждении превращается полностью в перлит.
Свойства феррита, цементита и перлита различны.
Зёрна феррита пластичные и сравнительно мягкие, как и
чистое железо. Зёрна цементита, наоборот, очень тверды
и хрупки, цементит прочен. Перлит по своим свойствам
занимает среднее положение между ферритом и цементи-
том: он менее твёрд, чем цементит, и менее пластичен, чем
феррит. Таким образом, меняя количество углерода в
стали, можно изменять и её свойства. Сталь с небольшим
количеством углерода — более мягкая и пластичная, чем
сталь высокоуглеродистая.
Если сталь охлаждать быстро (это делается при за-
калке), то аустенит превращается в мартенсит — твёрдый
раствор углерода в альфа-железе, имеющий, как мы
уже знаем, игольчатое строение, высокую твёрдость и
прочность.
3.	ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ
Частицы любого тела — атомы или молекулы — нахо-
дятся в постоянном беспорядочном движении. В твёр-
дых телах это движение практически ограничивается к о-
лебанием атомов вокруг определённого положения
равновесия. Чем выше температура тела, тем оживлённее
это движение. При определённой температуре твёрдое тело
плавится, переходит в жидкость.
31
Аморфные тела — воск, смола, янтарь, стекло — пргг
нагревании постепенно размягчаются, а затем становятся
жидкими. Переход воска из твёрдого состояния в жидкое
совершается плавно, и мы не можем сказать точно, какова
температура плавления воска»
Иное дело — кристаллические вещества. При нагрева-
нии ионы, закреплённые в узлах кристаллической решётки,
колеблются всё энергичнее, но, пока решётка сохраняется,
кристалл остаётся твёрдым. Только когда колебания ионов
усиливаются настолько, что решётка разрушается, появ-
ляются первые следы жидкости. Вот почему все кристал-
лические вещества, в том числе и металлы, имеют совер-
шенно определённую температуру плавления.
Среди металлов встречаются такие, для расплавления
которых строят специальные высокотемпературные элек-
трические печи; есть такие, которые плавятся от теплоты
руки, а есть и такие, которые плавятся при температуре
ниже нуля.
Наиболее легкоплавкие металлы — ртуть и цезий, а са-
мые тугоплавкие — рений и вольфрам. Ниже мы приводим
таблицу температур плавления различных металлов:
Металл	Температура плавления в градусах Цельсия	Уеталл	Температура плавления в градусах Цельсия
Ртуть 		— 38,9	Алюминий ....	658
Цезий		28,5	Серебро 		960
Рубидий 		39,0	Золото ......	1063
Натрий		97,9	Медь		1083
Литий		173	Кобальт 		1490
Олово		231,8	Железо		1532
Свинец 		327	А^олибден ....	2600
Цинк		419	Рений ......	3000
Сурьма 		632	Вольфрам ....	3400
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
Передача теплоты от одного тела к другому — это пе-
реход энергии беспорядочного движения от одних молекул
к другим.
Вода, стекло, воздух, дерево, кирпич передают тепло
медленно, теплопроводность их низка. Металлы же прово-
дят тепло очень быстро. Чем это объяснить?
32
Мы уже знаем, что в пространственной решётке метал-
лических кристаллов находятся положительно заряженные
атомы металлов — ионы. Они более или менее прочно
удерживаются на своих местах. Вокруг ионов беспорядоч-
но движутся свободные электроны. Их можно представить
в виде «электронного газа», омывающего кристалличе-
скую решётку. Свободные электроны легко перемещаются
внутри решётки и служат хорошими переносчиками теп-
ловой энергии от нагретых слоёв металла к холодным.
Высокую теплопроводность металла всегда легко обна-
ружить. Прикоснитесь в холодную погоду рукой к стене
деревянного дома и к железной ограде: железо на ощупь
всегда гораздо холоднее, чем дерево, так как железо бы-
стро отводит тепло от руки, а дерево — в сотни раз мед-
леннее. Лучше всех других металлов проводят тепло се-
ребро и золото, затем идут медь, алюминий, вольфрам,
магний, цинк и другие. Самые плохие металлические про-
водники тепла — свинец и ртуть.
Теплопроводность измеряют количеством тепла, кото-
рое проходит по металлическому стержню сечением в
1 квадратный сантиметр за 1 минуту. Если теплопро-
водность серебра условно принять за 100, то теплопровод-
ность меди будет 90, алюминия 27, железа 15, свинца 12,
ртути 2, а теплопроводность дерева всего 0,05.
Чем больше теплопроводность металла, тем быстрее и
равномернее он нагревается.
Благодаря своей высокой теплопроводности металлы
широко используются в тех случаях, когда необходимо бы-
строе нагревание или охлаждение. Паровые котлы, аппа-
раты, в которых протекают различные химические процес-
сы при высоких температурах, батареи центрального ото-
пления, радиаторы автомобилей — всё это делается из
металлов. Аппараты, которые должны отдавать или по-
глощать много тепла, чаще всего изготовляются из хоро-
ших проводников тепла — меди, алюминия.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
Самые лучшие проводники электричества — металлы.
Хорошей электропроводностью металлы опять-таки обя-
заны свободным электронам.
Когда мы присоединяем лампочку, плитку или какой-
нибудь другой электрический прибор к источнику тока,
3 Д, О. Славин	33
в проводах, в нити лампочки, в спирали плитки мгно-
венно возникают большие изменения: электроны теряют
прежнюю полную свободу движения и устремляются
к положительному полюсу источника тока. Такой на-
правленный поток электронов и есть электрический ток
в металлах.
Поток электронов движется по металлу не беспрепят-
ственно — он встречает на своём пути ионы. Движение от-
дельных электронов тормозится. Электроны передают
часть своей энергии ионам, благодаря чему скорость ко-
лебательного движения ионов увеличивается. Это приво-
дит к тому, что проводник нагревается.
Ионы разных металлов оказывают движению электро-
нов неодинаковое сопротивление. Если сопротивление
мало, металл нагревается током слабо, если же сопроти-
вление велико, металл может раскалиться. Медные про-
вода, подводящие ток к электрической плитке, почти не
нагреваются, так как электрическое сопротивление меди
ничтожно. А нихромовая спираль плитки раскаляется до-
красна. Ещё сильнее нагревается вольфрамовая нить элек-
трической лампочки.
Наиболее высокой электропроводностью отличаются
серебро и медь, затем следуют золото, хром, алюминий,
марганец, вольфрам и т. д. Плохо проводят ток железо,
ртуть и титан. Если электропроводность серебра принять
за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия—
55, железа и ртути — 2, а титана — лишь 0,3.
Серебро — металл дорогой и в электротехнике исполь-
зуется мало, но медь применяется для изготовления прово-
дов, кабелей, шин и других электротехнических изделий в
громадных количествах. Электропроводность алюминия в
1,7 раза меньше, чем у меди, и поэтому алюминий приме-
няется в электротехнике реже, чем медь.
Серебро, медь, золото, хром, алюминий, .... свинец,
ртуть. Мы видели, что в таком же приблизительно по-
рядке стоят металлы и в ряду с постепенно убывающей
теплопроводностью (см. стр. 33).
Наилучшие проводники электрического тока, как пра-
вило, являются и наилучшими проводниками тепла.
Между теплопроводностью и электропроводностью ме-
таллов существует определённая связь, и чем выше
электропроводность металла, тем обычно выше и его
теплопроводность.
34
Чистые металлы всегда проводят электрический ток
лучше, чем их сплавы. Это объясняется следующим обра-
зом. Атомы элементов, составляющих примеси, вклини-
ваются в кристаллическую решётку металла и нарушают
её правильность. В результате решётка становится более
серьёзной преградой для электронного потока.
Если в меди присутствуют ничтожные количества при-
месей — десятые и даже сотые доли процента — электро-
проводность её уже сильно понижается. Поэтому в элек-
тротехнике используют преимущественно очень чистую
медь, содержащую только 0,05% примесей. И наоборот,
в тех случаях, когда необходим материал с высоким со-
противлением— для реостатов*), для различных нагре-
вательных приборов, применяются сплавы — нихром, ни-
келин, константан и другие.
Электропроводность металла зависит также и от харак-
тера его обработки. После прокатки, волочения и обработ-
ки резанием электропроводность металла понижается.
Это связано с искажением кристаллической решётки при
обработке, с образованием в ней дефектов, которые тор-
мозят движение свободных электронов.
Очень интересна зависимость электропроводности ме-
таллов от температуры. Мы уже знаем, что при нагре-
вании размах и скорость колебаний ионов в кристалли-
ческой решётке металла увеличиваются. В связи с этим
должно возрастать и сопротивление ионов электронному
потоку. И действительно, чем выше температура, тем
выше сопротивление проводника току. При температурах
плавления сопротивление большинства металлов увеличи-
вается в полтора-два раза.
При охлаждении происходит-обратное явление: бес-
порядочное колебательное движение ионов в узлах ре-
шётки уменьшается, сопротивление потоку электронов по-
нижается и электропроводность увеличивается.
Исследуя свойства металлов при глубоком (очень
сильном) охлаждении, учёные обнаружили замечательное
явление: вблизи абсолютного нуля, то-есть при темпера-
турах около минус 273,16°, металлы полностью утрачи-
вают электрическое сопротивление. Они становятся «иде-
альными проводниками»: в замкнутом металлическом
*) Реостаты — это приборы, позволяющие регулировать силу
тока в электрической цепи.
3*
35
кольце ток не ослабевает долгое время, хотя кольцо уже
не соединено с источником тока! Это явление названо
сверхпроводимостью. Оно наблюдается у алю-
миния, цинка, олова, свинца и некоторых других метал-
лов. Эти металлы становятся сверхпроводниками при тем-
пературах ниже минус 263°.
Как объяснить сверхпроводимость? Почему одни ме-
таллы достигают состояния идеальной проводимости, а
другие нет? На эти вопросы пока ещё нет ответа. Явле-
ние сверхпроводимости имеет громадное значение для тео-
рии строения металлов, и в настоящее время его изучают
советские учёные. Работы академика Л. Д. Ландау и
члена-корреспондента Академии наук СССР А. И. Шаль-
никова в этой области удостоены Сталинских премий.
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
Известна железная руда — магнитный железняк. Ку-
ски магнитного железняка обладают замечательным
свойством притягивать к себе железные и стальные пред-
меты. Это — естественные магниты. Лёгкая стрелка, сде-
ланная из магнитного железняка, всегда поворачивается
одним и тем же концом к северному полюсу Земли. Этот
конец магнита условились считать северным полюсом, а
противоположный ему — южным.
Если железный или стальной стержень привести в со-
прикосновение с магнитом, стержень сам становится маг-
нитом, сам будет притягивать железные опилки, стальные
гвозди. Говорят, что стержень намагничивается.
Намагничиваться способны все металлы, но в разной
степени. Очень сильно намагничиваются только четыре
чистых металла — железо, кобальт, никель и редкий ме-
талл гадолиний. Хорошо намагничиваются также сталь,
чугун и некоторые сплавы, не содержащие в своём со-
ставе железа, например сплав никеля и кобальта. Все эти
металлы и сплавы называют ферромагнитными
(от латинского слова «феррум» — железо).
Совсем слабо притягиваются к магниту алюминий,
платина, хром, титан, ванадий, марганец. Намагничи-
ваются они так незначительно, что без специальных при-
боров обнаружить их магнитные свойства нельзя. Эти
металлы получили название парамагнитных (гре-
ческое слово «пара» означает около, возле).
36
Висмут, олово, свинец, медь, серебро, золото намагни-
чиваются тоже очень слабо, но они не притягиваются маг-
нитом, а наоборот, очень слабо отталкиваются от него
и называются поэтому диамагнитными («диа> по-
гречески значит поперёк).
Почему же одни металлы намагничиваются сильно, а
другие — слабо?
Поднесём к медной проволоке, по которой течёт ток
от батареи, несколько магнитных стрелок. Стрелки рас-
положатся так, как показано
на рисунке 13. Это значит,
что на стрелки действуют
магнитные силы; другими
словами — вблизи проводни-
ка с током возникает магнит-
ное поле. Возникновение маг-
нитного поля есть результат
движения электрических за-
рядов — электронов.
Теперь вспомним об ато-
ме. Вокруг центральной ча-
сти атома — ядра — дви-
жутся электроны. Каждый
электрон, кроме того, вра-
щается и вокруг собственной
оси. Каждый электрон также
создаёт на своём пути маг-
нитное поле.
В атомах висмута, олова и других диамагнитных ме-
таллов магнитые поля отдельных электронов направлены
навстречу друг другу, и действие одного поля уничто-
жается действием другого. Таким образом, атомы диа-
магнитного металла не имеют магнитных
свойств. Но диамагнитные тела слабо отталкиваются
от магнита. Почему же это происходит?
Если какое-нибудь вещество внести в поле магнита, то
атомы этого вещества будут равномерно вращаться в маг-
нитном поле; вращение приводит к тому, что атомы по-
лучают магнитные свойства, становятся как бы малень-
кими, очень слабыми магнитиками. Учёные точно рассчи-
тали, что северный полюс каждого атома-магнитика ока-
зывается при этом против северного полюса магнита
(рис. 14). А так как одноимённые магнитные полюса от-
Рис. 13. Вокруг провода, по ко-
торому течёт ток, всегда есть
магнитное поле.
37
талкиваются, атом должен отталкиваться магнитом.
Именно такой и только такой магнетизм обнаруживается
у диамагнитных металлов.
Иное дело — парамагнитные и ферромаг-
нитные металлы. Атомы этих металлов построены так,
что отдельные магнитные поля электронов усиливают
о о о о о о
о о о о о о
Диамагнитные металлы
0
Парамагнитные металлы
$ Д'“О’о» о>.#
Ферромагнитные металлы
Рис. 14. Схема намагничения разных металлов.
друг друга и каждый атом уже является ма-
леньким магнитиком с двумя полюсами. В чём
же разница между этими двумя группами металлов?
В парамагнитных металлах атомы-магнитики распо-
ложены совершенно беспорядочно (рис. 14). В магнитном
поле атомы тоже начинают вращаться (это общее для
всех атомов свойство), и вращение приводит к тому же,
что и у диамагнитных металлов. Но диамагнетизм здесь
обнаружить не удаётся, так как у парамагнитных атомов
есть гораздо более сильные «собственные» магнитные по-
люса (результаты наложения друг на друга магнитных
полей отдельных электронов) и эти полюса будут вести
себя обычным образом: северный полюс будет стремиться
к южному полюсу магнита, а южный — к северному. Если
38
Рис. 15. Границы намагничен-
ных областей в чистом железе.
бы атомы не совершали теплового движения, они бы-
стро установились бы в полном порядке (северными по-
люсами к южному полюсу магнита) и парамагнитный
металл можно было бы намагнитить так же сильно, как
и ферромагнитный. Но при обычных температурах этого
не происходит: тепловое движение всё время расшаты-
вает строй атомов, и металл намагничивается очень слабо.
Иная картина наблюдается
в ферромагнитных металлах.
Учёные предполагают, что ме-
жду атомами ферромагнитных
тел действуют особые мощные
электрические силы. Благодаря
наличию этих сил атомы-
магнитики в опреде-
лённых участках кри-
сталла выстраиваются
в строгом порядке и
сохраняют свое расположение
(рис. 14). Поэтому в кристаллах железа, кобальта, ни-
келя и гадолиния есть отдельные скопления атомов, сотни
миллиардов атомов, магнитные полюса которых располо-
жены одинаково. Такие самопроизвольно намагниченные
скопления называются доменами. Границы их можно
видеть в микроскоп, если на поверхность ненамагничен-
ного металла навести очень тонкую железную пыль. Пы-
линки собираются у границ доменов, у полюсов (рис. 15).
Когда железо или другой ферромагнитный металл
вносится в магнитное поле, полюса отдельных скоплений
постепенно смещаются, пока северные полюса доменов
не станут против южного полюса магнита.
Большая заслуга в развитии наших знаний о ферро-
магнитных явлениях принадлежит советским учёным
Н. С. Акулову, Е. И. Ковдорскому и другим.
Мы уже отмечали, что тепловое движение мешает
атомам-магнитикам выстраиваться в магнитном поле
даже при обычных температурах. При нагревании эти
«помехи» усиливаются, и чем выше температура, тем
труднее намагнитить металл. Для каждого ферромаг-
нитного металла существует определённая температура,
при которой он уже становится парамагнитным. Эти
температуры в честь открывшего их физика Пьера
Кюри названы точками Кюри. Для кобальта точка
39
С
Рис. 16. Схема
электромагнита.
Кюри — около 1000°, для железа — примерно 750°, а для
никеля — 360°.
Ферромагнитный металл намагничивается в магнитном
поле. Это не значит, что для получения магнита обяза-
тельно нужен естественный магнит. Получить магнит
можно и с помощью электрического тока. Если железный
стержень обмотать изолированной проволокой, а затем
пропускать по ней ток, стержень (сердеч-
ник) намагнитится (рис. 16). Полученный
таким путём магнит называют электро-
магнитом. Как только ток в прово-
локе прекращается, электромагнит теряет
свою силу — железо почти полностью
размагничивается. Это свойство электро-
магнита весьма ценно в тех случаях, ко-
гда действие магнитной силы необходимо
лишь на определённое время.
Электромагниты применяются очень
широко. Электромагнит — необходимая
деталь телеграфного аппарата, телефона,
электрического звонка, динамомашины,
электромотора, электромагнитного подъ-
ёмного крана.
Если сердечник электромагнита сде-
лать не из железа, а из стали, то после
выключения тока магнитные свойства не
исчезнут, сталь не размагнитится: строе-
ние этого сплава неоднородно, и поэтому восстановление
прежнего беспорядка в расположении полюсов отдельных
доменов затруднено. Железо легче намагнитить, чем сталь,
легче его и размагнитить. Поэтому сердечники электро-
магнитов делаются именно из железа, а на изготовление
постоянных магнитов идёт сталь.
Постоянные магниты необходимы для изготовления
компасов, радиорепродукторов, различных измеритель-
ных электроприборов и т. д. Они делаются обычно из
высокоуглеродистой стали. Теперь начинают приме-
няться постоянные магниты из нового сильно намагничи-
вающегося сплава м а г н и к о, который состоит из ко-
бальта, никеля, меди, алюминия и железа. Магнико со-
здан советскими металловедами А. С. Займовским и
Б. Г. Лившицем.
40
4.	МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
МЕТАЛЛЫ — ОСНОВНОЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ
МАТЕРИАЛ ТЕХНИКИ
ТТ оезд в полторы-две тысячи тонн весом проходит че-
П рез железнодорожный мост. Он производит огром-
ное давление на рельсы, а они — на все элементы моста,
но мост прочен и свободно выдерживает эту нагрузку.
Летит самолёт. Воздух оказывает большое сопроти-
вление его движению. Давление воздуха на самолёт очень
велико, но конструкция самолёта и материалы, из кото-
рых он изготовлен, обеспечивают безопасность полёта.
В столице нашей Родины воздвигаются высотные зда-
ния. Фундамент и каркасы их несут громадную нагрузку,
но материалы, из которых они изготовлены, обеспечивают
прочность этих сооружений.
Вал газовой турбины вращается со скоростью 7—8 ты-
сяч оборотов в минуту, ротор электромашины делает
10—15 тысяч оборотов в минуту. При таких скоростях вал
и ротор должны обладать очень высокой прочностью.
Чтобы достичь прочности самолёта, железнодорож-
ного моста, многоэтажного здания, вала газовой турбины,
потребовалось много лет упорного труда инженеров, фи-
зиков, математиков. Учёные изучают силы, действующие
на то или другое сооружение в различных условиях; тща-
тельно исследуют все изменения, которые вызывают эти
силы в том или другом материале; находят точные методы
расчётов прочности всевозможных инженерных сооруже-
ний; создают новые более прочные строительные мате-
риалы, в том числе и новые сплавы.
Наиболее ценные механические свойства металлов и
сплавов — прочность и пластичность. Именно благодаря
этим качествам металлы завоевали себе положение основ-
ного строительного материала в современной технике.
КАК ДЕФОРМИРУЮТСЯ МЕТАЛЛЫ
Подвесьте гирю к нижнему концу тонкого цилиндри-
ческого стержня из мягкой стали, укреплённого в вер-
тикальном положении. Гиря будет растягивать, дефор-
мировать стержень. Растягивающая сила направлена
вдоль оси стержня и распределяется равномерно по всему
41
Рис. 17. Схема деформации в
кристалле цинка.
скольжения
его поперечному сечению: если гиря весит, допустим, 5 ки-
лограммов, а площадь сечения стержня равна 5 квад-
ратным миллиметрам, то на каждый квадратный милли-
метр стержня действует одна и та же нагрузка — в 1 ки-
лограмм. Нагрузку на единицу площади поперечного
сечения стержня называют напряжением. Чтобы вы-
звать одинаковую деформацию в двух стержнях разного
сечения из одного и того же металла, нужно приложить
нагрузки, прямо пропорциональные площадям попереч-
ного сечения.
Какие же изменения в металлическом стержне вызы-
вает растягивающая сила?
При действии на металл какой-нибудь силы между
атомами металла возникают внутренние силы упру-
гости. Эти силы противо-
действуют внешней силе
и стремятся возвратить металлу
его первоначальные размеры и
форму.
Если внешняя сила не пре-
вышает внутренних сил упру-
гости, то при деформации ато-
мы металла отдаляются друг
от друга (при растяжении)
или, наоборот, сближаются
(при сжатии), но после пре-
кращения действия внешней
силы вновь занимают прежние
места. Это — упругая де-
формация.
Если же внешняя сила пре-
восходит по величине внутрен-
ние силы упругости, изменения
в кристалле не ограничиваются
сближением или удалением
атомов друг от друга: в отдель-
ных местах кристаллической решётки образуются плоско-
сти, по которым происходит скольжение, сдвиг отдельных
слоёв кристалла. Этот процесс подобен соскальзыванию
одной монеты с другой, когда они собраны в стопку.
Сдвиг происходит по определённым для каждого типа
решётки плоскостям. Направление сдвига показано на
рисунке 17 маленькой стрелкой. После прекращения дей-
42
ствия силы кристалл уже не восстанавливает
полностью своей прежней формы. Такая деформация
называется пластической (остаточной). Чем меньше
возникающие в металле внутренние силы упругости, тем
легче происходит пластическая деформация. Имеет зна-
чение также и то, насколько направление действующих
на кристалл сил совпадает с направлением плоскости воз-
можного сдвига.
В природе нет как абсолютно упругих, так и абсо-
лютно неупругих материалов. Всем металлам присущи и
упругие и пластические свойства, но, конечно, в разной
степени. Цинк, медь, свинец и алюминий, например, легко
деформируются пластически, а чёрные металлы испыты-
вают пластическую деформацию только при сравнительно
больших напряжениях. В любом материале, как упругом,
так и неупругом, можно вызвать и упругую и пластиче-
скую деформацию. Это зависит от величины нагрузки, а
также от внешних условий: температуры, давления, среды.
Величина деформации прежде всего определяется
свойствами самого материала. Пластилин (глина с при-
месью воска), из которого дети лепят всевозможные фи-
гурки, изменяет свою форму даже при слабом надавли-
вании пальцами. Другое дело — мрамор, гранит или
сталь. Для их деформации требуются громадные силы.
Например, гранитные плиты по мере увеличения нагрузки
деформируются, сжимаются, но эта деформация столь
незначительна, что может быть обнаружена только с по-
мощью очень точных приборов.
Величина деформации зависит не только от величины
действующей силы, но и от продолжительности её дей-
ствия, от размеров тела, на которое действует сила, и от
места приложения силы. Если на деревянную доску, поло-
женную на две опоры, встанет человек, доска прогнётся и
со временем прогиб будет увеличиваться. Если на доску
встанут два человека, она прогнётся сильнее. Если встать
на доску не в середине, а ближе к опоре, прогиб будет
меньше. Короткая доска прогнётся слабее, чем длинная,
тонкая — сильнее, чем толстая, в одинаковых условиях.
То же самое можно сказать и о других материалах.
Силы могут различным образом действовать на ме-
талл: растягивать его, сжимать, изгибать, скручивать, сре-
зать. Это зависит от того, каким образом направлены
действующие силы (рис. 18).
43
Когда силы действуют по направлению продольной оси
стержня в прямо противоположные стороны и напра-
влены от стержня, возникает деформация растя-
жения: стержень удлиняется в продольном направле-
нии и утончается в поперечном. Деформацию растяжения
испытывают, например, всевозможные стальные канаты
__ ---------------------------------- — подъёме
направ-
Растяжение
сжатие
Изгиб
Кручение
Срез
Рис. 18. По-разному направленные силы
вызывают различные виды деформации.
И тросы При
грузов.
Если силы действу-
ют также по
лению продольной оси
стержня и направлены
навстречу друг другу,
то происходит дефор-
мация сжатия: стер-
жень укорачивается и
утолщается. Такую де-
формацию испытывают,
например, стальные ко-
лонны, сваи.
Деформацияиз-
г и б а возникает тог-
да, когда стержень рас-
положен на одной или
нескольких подставках,
опорах и сила действу-
ет перпендикулярно к
оси стержня. При изги-
бе одни слои стержня
растягиваются, а дру-
гие сжимаются. Такую деформацию испытывают, напри-
мер, рельсы, когда по ним проходит поезд.
В тех случаях, когда под влиянием действующих сил
отдельные слои, волокна стержня или весь стержень за-
кручивается вокруг продольной оси, возникает дефор-
мация кручения. Она наблюдается в различных
вращающихся деталях машин и инструментах: в валах,
свёрлах, отвёртках и т. д.
Когда две равные по величине силы действуют пер-
пендикулярно к продольной оси, на очень близком рас-
стоянии друг от друга и направлены навстречу друг
другу, в стержне возникает деформация сдвига;
одни слои металла смещаются относительно других. Если
44
при этом цельность стержня нарушается, то получается
срез. Деформация среза возникает в металле, например,,
при резании его ножницами.
На практике в большинстве случаев встречаются раз-
личные сочетания этих видов деформации. Так, например,,
винт подвергается одновременно и деформации кручения
и деформации сжатия. Штанга бурового инструмента
также и закручивается и сжимается. Заводская труба
испытывает деформацию сжатия под действием собствен-
ного веса и изгибается давлением ветра (но и сжатие, и
изгиб трубы, конечно, весьма незначительны).
Поэтому при изучении свойств различных металлов
испытывают действие на образцы различных сил: сжи-
мающих, закручивающих, растягивающих и т. д.
ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ
Чтобы выяснить, как деформируется тот или другой
металл при действии растягивающей силы, производят
специальные испытания. Образец металла строго опреде-
лённых размеров и формы укрепляют в захватах разрыв-
ной машины. После этого образец подвергается растя-
жению под действием плавно возрастающей нагрузки.
Посмотрим, как будет деформироваться проволока ив
мягкой углеродистой стали (с содержанием углерода, до-
пустим, 0,02%) сечением в один квадратный миллиметр
и длиной 10 сантиметров (рис. 19).
Вначале удлинение строго пропорционально нагрузке:
гиря в 10 кг вызывает удлинение в 2 раза большее, чем
гиря в 5 кг\ гиря в 20 кг даёт удлинение в 4 раза боль-
шее, чем гиря в 5 кг, и т. д. Короче говоря, какова
сила, такова и деформация, — удлинение про-
порционально величине растягивающей силы.
Если начать уменьшать величину растягивающей силы,
проволока будет постепенно укорачиваться, и когда все
гири будут сняты, она примет первоначальную длину.
Так проявляются упругие свойства. При упругих деформа-
циях безразлично, какие силы и в каком порядке действу-
ют на тело. Можно сначала растянуть проволоку, затем
закрутить её, а можно поступить наоборот — сначала за-
крутить, потом растянуть. В обоих случаях поведение ме-
талла будет одинаково: после прекращения действия рас-
тягивающей и закручивающей сил проволока неизменно
45
принимает первоначальную форму. Но так будет продол-
жаться только до определённого предела — предела
упругости. Для мягкой стали этот предел наступает
при напряжении около 20 кг]мм2.
Рис. 19. Диаграмма растяжения мягкой стали.
Пока напряжение не превышает предела упругости,
отношение напряжения к вызываемой им деформации для
каждого металла постоянно. Иначе говоря, частное, по-
лученное от деления величины напряжения на относитель-
ное удлинение (удлинение на каждый миллиметр длины
проволоки), есть величина постоянная. Эту величину на-
зывают модулем упругости (слово «модуль» по-
латыни означает мера):
напряжение
— модуль упругости,
относительное удлинение
По модулю упругости можно судить о способности
металла или сплава сопротивляться деформирующим си-
46
лам. Чем больше модуль упругости, тем
жёстче металл. Модуль упругости мягкой углеро-
дистой стали равен 21 000 кг/мм2, меди— 11 500 кг/мм2,
алюминия 7000 кг/мм2. Таким образом, мягкая сталь
почти вдвое жёстче меди и втрое жёстче алюминия. Де-
рево — менее жёсткий материал, чем металлы: модуль
упругости, например, сосны (вдоль волокон) равен всего
900 кг/мм2.
Продолжим опыт дальше и посмотрим, что произой-
дёт, когда нагрузка будет превышать предел упругости.
В е с г и р ь, растягивающих проволоку, равен 21 кг, за-
тем 22 кг, 23 кг. Проволока удлиняется уже больше, чем
это было до предела упругости, и после снятия гирь уже
не будет восстанавливать первоначальную длину: сталь
начинает деформироваться пластически. Пластическая де-
формация ещё не велика — остаточное удлинение соста-
вляет всего-навсего тысячные доли процента.
Но вот нагрузка равна 26 кг. Проволока растягивается
ещё больше. И что здесь интересно: несмотря на то, что
напряжение не увеличивается, оно равно 26 кг, — удли-
нение со временем растёт, сталь начинает «течь». Это —
предел текучести.
При дальнейшем растяжении пластическая деформа-
ция проявляется всё сильнее и сильнее. Внутренние силы
упругости уже не могут противостоять внешней силе,
растягивающей проволоку, и в кристаллах, невидимому,
изменяется расположение атомов.
Наконец, наступает момент, когда в определённом ме-
сте проволока начинает утончаться, образуется шейка.
Для мягкой стали напряжение, при котором начинает по-
являться шейка, равно примерно 37 кг/мм2. Это — пре-
дел прочности мягкой стали, самое большое напря-
жение, которое она способна выдержать. Чем выше это
напряжение, тем прочнее металл.
Дальнейшая деформация происходит главным образом
в шейке, уже без увеличения нагрузки. Для мягкой стали
достаточно напряжения около 32 кг/мм2, чтобы шейка
сузилась и произошел разрыв.
На рисунке 19 показано, как постепенно деформи-
руется проволока, и дано графическое изображение всего
нашего опыта по растяжению проволоки из мягкой
стали — диаграмма растяжения. На вертикаль-
ной оси отмечаются напряжения, а на горизонтальной оси
47
откладываются соответствующие им удлинения прово-
локи. Так как поперечное сечение нашей проволоки равно
одному квадратному миллиметру, то напряжение, возни-
кающее в ней, равно приложенной нагрузке. В местах
пересечения горизонтальных линий, которые мы проводим
от оси напряжений, с вертикальными (от оси, на которой
отмечается удлинение) ставятся точки; затем они соеди-
няются. Точка, обозначенная буквой Л, — предел упру-
гости. Пропорциональность между нагрузкой и вызывае-
мым ею удлинением, которую мы наблюдаем до предела
упругости, выражается прямой линией ОЛ. Далее пропор-
циональность нарушается — прямая линия переходит в
кривую АБ. Горизонтальная площадка на кривой между
точками Б и В соответствует пределу текучести: напря-
жение одно и то же — 26 кг/мм2, а длина проволоки воз-
растает. Точка Г — предел прочности, начало образова-
ния шейки, точка Д — разрыв.
Нужно сказать, что площадка текучести БВ обнару-
живается не у всех металлов. В таких случаях пределом
текучести считают то напряжение, при котором остаточ-
ное удлинение достигает 0,2%: если длина проволоки
равна 100 мм, то предел текучести равен напряжению, при
котором длина проволоки возрастает на 0,2 мм.
Диаграмма растяжения очень отчётливо и наглядно
показывает механические свойства металлов—прочность
и пластичность. В настоящее время диаграммы растяже-
ния вычерчиваются автоматически на специальных ма-
шинах при испытании образцов различных металлов.
Каждый металл и сплав характеризуются определён-
ными значениями показателей прочности: пре-
дела текучести и предела прочности. Значения их даны в
таблице на стр. 59.
Предел текучести и предел прочности при растяже-
нии — очень важные характеристики металлов. Зная на-
пряжение, соответствующее пределу прочности, и вели-
чину силы, которая должна действовать на то или другое
изделие, можно легко рассчитать размеры изделия. На-
пример, нам нужно найти сечение канатов для лифта,
поднимающего одновременно 5 человек. Допустим, что
к кабине лифта будет прикреплено 4 каната. Вес кабины
200 /са, средний вес пассажира 60 кг. Значит, канаты
должны поднимать груз в 500 кг. Так как каждый квад-
ратный миллиметр стального каната способен выдержать
48
нагрузку 40 кг, можно рассчитать сечение всех четырёх
канатов. Оно должно быть не менее 500 : 40= 12,5 мм2.
Обычно для полной безопасности подъёма создают допол-
нительный «запас прочности», сечение увеличивают при-
мерно в 20 раз. Следовательно, площадь сечения всех
канатов должна быть 20 X 12,5 = 250 мм2. Сечение же
одного каната будет равно 250 : 4 = 62,5 мм2.
Таким же образом можно решить и обратную задачу:
рассчитать, какую наибольшую нагрузку выдержит канат
данного сечения, если известен предел прочности его.
При расчётах различных конструкций довольно часто
исходной величиной служит не предел прочности, а пре-
дел текучести. В этих случаях способ расчёта остаётся
тем же, что и выше, но «запас прочности» вычисляется,
исходя из предела текучести.
При испытаниях различных металлов, кроме показа-
телей прочности, определяются также и показатели пла-
стичности— относительное удлинение и от-
носительное сужение в момент разрыва.
Чем больше относительное удлинение, тем пластичнее
металл, тем легче обнаружить в нём появление опасных
напряжений, которые могут привести к разрушению изде-
лия (так как металл сначала заметно пластически дефор-
мируется, а затем уже разрушается).
Такие металлы, как, например, чугун, высокоуглеро-
дистые стали, некоторые цинковые сплавы, разрушаются
при небольшом удлинении. Это — хрупкие сплавы.
Железо, мягкая сталь, медь, алюминий, медные и алю-
миниевые сплавы, наоборот, разрушаются после значи-
тельного удлинения. Это — вязкие металлы и сплавы.
Нагрузки, которые испытываются материалами, можно
разделить на спокойные и ударные. Спокойные или ста-
тические нагрузки это такие, возрастание которых
происходит постепенно. Таково, например, действие веса
строящегося здания на фундамент. Ударные нагрузки,
наоборот, действуют мгновенно, носят характер удара
(удар бабы копра о сваю при забивке её, удар молота
о наковальню и др.). Поведение металлов при действии
на них статических и ударных нагрузок неодинаково. До-
вольно часто металлы, хорошо сопротивляющиеся ста-
тическим нагрузкам, легко разрушаются при ударных
нагрузках. Чем выше относительное удлинение металла,
чем пластичнее металл, тем легче переносит он ударные
4
Д. О. Славин
49
нагрузки. Относительное удлинение чугуна очень мало,
и поэтому он сравнительно легко разрушается при ударе.
Алюминий же имеет большое относительное удлинение и
хорошо сопротивляется ударным нагрузкам.
О степени пластичности того или другого металла
можно судить также и по относительному сужению. Опре-
деляют его так: измеряют площадь сечения образца в
месте разрыва, вычитают её из первоначальной площади
сечения образца и делят полученное число на перво-
начальную площадь. Относительное сужение не зависит
от формы и размеров образца, выражается большими чи-
слами и потому наглядно отражает пластические свой-
ства металлов.
Изучение упругих и пластических свойств металлов
и сплавов имеет чрезвычайно важное значение для прак-
тики. Только зная эти свойства, можно сделать правиль-
ный выбор материала для изготовления того или другого
изделия, для сооружения той или иной конструкции. На-
пример, при изготовлении всевозможных деталей ма-
шин необходимо, чтобы в них под действием возникающих
при работе нагрузок не появлялись пластические дефор-
мации.
Представим, что детали какой-нибудь машины в про-
цессе работы будут деформироваться пластически. Это
неизбежно приведёт к изменению их размеров и формы:
одни детали прогнутся, вторые — закрутятся, третьи из-
менят свою длину, и машина выйдет из строя.
По той же причине пружины никогда не делаются из
металлов с невысокими упругими свойствами — из свинца
или меди: сжатая медная или свинцовая пружина не при-
мет первоначального размера после того, как прекратится
действие сжимающей её силы.
Пластические свойства металлов ценны при обработке
их давлением. Современная техника применяет металлы
в виде листов, труб, проволоки, брусков с сечением в виде
круга, квадрата, ромба и т. д. Чтобы придать металлу
нужную форму, его подвергают прокатке, волочению,
прессованию, ковке, штамповке. Все эти операции могут
быть проведены лишь в том случае, если металл пласти-
чен. Если бы металл обладал только упругими свойствами,
то слиток после обжатия между валками или после прес-
сования снова принял бы первоначальную форму и про-
катка и прессование не привели бы к цели.
50
На прочность и пластические свойства металлов
сильно влияет температура. При нагревании прочность
понижается, а пластичность увеличивается. Вот почему
большинство процессов обработки металлов давлением
проводят при высоких температурах.
Давление действует так же, как и температура, — по-
вышает пластичность и понижает упругость. Сталь при
давлении в несколько тысяч атмосфер становится такой
же пластичной, как свинец.
Силы взаимодействия между атомами в кристаллах
изучены теперь настолько хорошо, что учёные могут вы-
числить прочность того или другого кристалла. При такого
рода расчётах предполагается, конечно, что кристалличе-
ская решётка построена идеально правильно.
По теоретическому расчёту кристалл поваренной соли
(соединение натрия с хлором) должен разрушаться при
напряжении 200 кг/мм2. Но в действительности кристалл
разрушается и при напряжении в 400 раз меньшем.
Это происходит потому, что у поверхности кристаллов
поваренной соли есть много мельчайших трещин, и эти
трещины сильно снижают прочность. Если испытания про-
водить под водой, предел прочности кристалла возрастёт до
160 кг/мм2. Это объясняется тем, что поверхностный слой
кристалла в воде растворяется, и новые грани кристалла
уже не имеют трещин.
Но 160 кг/мм2 — это не 200 кг!мм2. Что же ещё может
снижать прочность кристалла?
Уже давно существовало предположение, что кристал-
лов с идеально правильными пространственными решёт-
ками не существует. Неравномерное охлаждение при
кристаллизации, примесь посторонних атомов, хотя бы
и ничтожно малая, тесное соседство с другими кристал-
лами и, наконец, тепловое движение атомов в той или
иной мере искажают решётку. Каждый кристалл по
этому предположению состоит из отдельных «блоков»,
слегка сдвинутых по отношению друг к другу. Такую
структуру кристаллов назвали мозаичной. В самые
последние годы мозаичную структуру действительно уда-
лось увидеть. Наблюдения велись с помощью элек-
тронного микроскопа, дающего увеличение в 40 000 раз
(рис. 20). Размеры блоков различны — от нескольких
микронов до сотых долей микрона (микрон — одна ты-
сячная часть миллиметра).
4*
51
Рис. 20. Мозаичная структура,
обнаруженная в чистой отож-
жённой меди.
По современным воззрениям величина блоков влияет
на механические свойства кристаллов. Так, например, чем
меньше блоки, тем прочнее металл. Этим объясняется тот
факт, что металлы после про-
катки, штамповки и волоче-
ния (уменьшающих величину
блоков) становятся прочнее.
При испытании на проч-
ность был замечен ещё один
интересный факт: прочность
образцов металлов, взятых
для испытаний, всегда выше
прочности изделий, изготов-
ленных из того же самого
металла; тонкая металличе-
ская проволока прочнее, чем
толстая. Чем больше сечение
изделия, тем больше разница
в прочности. Объясняется это
очень просто. Чем толще бру-
сок металла, тем больше ве-
роятности, что в нём находят-^
ся газовые пузырьки, микроскопические трещины и другие
дефекты, уменьшающие прочность.
ПОЛЗУЧЕСТЬ
Когда вы знакомились с диаграммой растяжения про-
волоки из мягкой стали, вы видели, что при определённой
нагрузке металл начинает течь: напряжение не меняется,
а удлинение растёт. На диаграмме это явление отмечено
площадкой текучести. Обнаружить по диаграмме предел
текучести для многих металлов и сплавов довольно трудно,
так как переход от упругих к пластическим деформациям
совершается у них плавно.
Но если понаблюдать за поведением металла при дей-
ствии на него какой-нибудь постоянной нагрузки очень
долгое время, скажем два-три года, то можно обнару-
жить, что металл непрерывно, хотя и очень медленно, пла-<
стически деформируется или, как говорят, ползёт.
Положим тонкий стальной стержень на две опоры, под-
весим к нему груз и измерим величину прогиба. Пусть на-
грузка и не превышает предела упругости, всё равно,—*
52
через год-два, десять лет прогиб увеличится. Чем больше
времени висит на стержне груз, тем медленнее идёт воз-
растание прогиба, но прогиб всё время растёт. Такое же
явление можно наблюдать и при длительном действии рас-
тягивающей силы.
Свойство металлов медленно и непрерывно пластиче-
ски деформироваться при постоянном напряжении назы-
вается ползучестью. Чем выше температура металла,
тем резче проявляется ползучесть.
Ползучесть у разных металлов различна. Медь, сви-
нец и медные сплавы, находясь под напряжением в тече-
ние длительного времени, ползут уже при комнатной тем-
пературе. Ползучесть в стали возникает только при повы-
шенных температурах.
Ползучесть наблюдается у многих деталей машин и в
конструкциях, находящихся долгое время при высоких
температурах: у лопаток газовых турбин, у паровых кот-
лов, паропроводов и др.
Ползучесть металлов обязательно учитывается при ин-
женерных расчётах конструкций, работающих при высо-
ких температурах.
Величина ползучести металлов крайне мала, и для того,
чтобы её обнаружить, ведут длительные испытания и
пользуются специальными чрезвычайно точными измери-
тельными приборами. Обычно определяют напряжения,
вызывающие удлинение металла на 1% в течение 1000,
10 000 и 100 000 чдсов.
В настоящее время детали машин и конструкции, ра-
ботающие при высоких температурах, изготовляют из спе-
циальных жароупорных сталей и других сплавов, которые
обладают незначительной ползучестью.
УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ
В технике встречается довольно много случаев, когда
металл подвергается одновременному действию и стати-
ческих (спокойных) и ударных (действующих мгновенно)
нагрузок. Автомобиль идёт по гладкой асфальтированной
дороге — нагрузки на различные детали его распределены
равномерно. Но вот колесо наскакивает на камень или по-
падает в рытвину — детали испытывают удар.
Паровоз и вагоны постоянно испытывают удары на
стыках рельсов.
53
Средняя скорость приложения ударной нагрузки во
многих случаях в несколько сотен и даже тысяч раз пре-
вышает скорость приложения статической нагрузки.
И для многих металлов ударные нагрузки являются губи-
тельными. Под действием удара металл также деформи-
руется, но при этом в нём не обнаруживается всех тех сту-
пеней изменения свойств, которые мы наблюдали при
статическом растяжении. Металл
Рис. 21. Схема испытания металлов для
определения ударной вязкости.
может разрушиться
мгновенно, подоб-
но тому как разру-
шается при ударе
стекло.
Чем пластичнее
металл, тем легче
он переносит удар-
ные нагрузки. Вяз-
кие металлы —
мягкие стали,
медь, алюминий —
переносят удары
лучше, чем хруп-
кие — такие, как
чугун или некото-
рые алюминиевые
(силумин) и магниевые сплавы. Вязкие металлы разру-
шаются только после значительной пластической дефор-
мации, хрупкие же разбиваются, не успевая деформиро-
ваться пластически.
Для определения способности металла противостоять
действию ударных нагрузок производят специальные ис-
пытания на так называемых маятниковых копрах (рис. 21).
На образец, имеющий форму бруска квадратного сечения
с полукруглым надрезом с одной стороны, с определённой
высоты падает тяжёлый маятник. Маятник ударяет по об-
разцу со стороны, противоположной надрезу, и ломает
брусок. По весу маятника и потерянной им высоте вычис-
ляют работу, затраченную на разрушение образца. Эта
работа выражается в килограммометрах на квадратный
сантиметр площади поперечного сечения образца в месте
надреза и является мерой ударной вязкости ме-
талла. Серый чугун — хрупкий, его ударная вязкость
мала. Ударная вязкость некоторых сортов легированных
сталей в десятки раз выше, чем у чугуна.
54
выносливость
Уже давно было замечено такое явление: если на ме-
талл действуют нагрузки, периодически меняющие своё
направление, так называемые знакопеременные
нагрузки, то он ведёт себя иначе, чем при действии только,
например, растягивающих или только сжимающих сил.
Металл, испытавший достаточно большое число знакопе-
ременных нагрузок, может разрушиться при напряжении,
более низком, чем предел текучести или даже упруго-
сти. Говорят, что металл «устаёт» от знакопеременных
нагрузок.
В чём причина усталости металлов?
Мы уже знаем, что металлы не однородны по своему
строению. Они состоят из множества кристаллических зё-
рен разной величины. Под действием силы металл не де-
формируется одинаково во всей своей массе. На отдель-
ных участках, особенно вблизи неметаллических вклю-
чений, возникает местная пластическая деформация. Она
приводит при знакопеременных нагрузках к образованию
микроскопических трещин. Трещины растут и, наконец,
становятся видными даже простым глазом. В плоскостях,
имеющих трещины, резко повышается напряжение при
нагрузке, и это приводит к усталостному разрушению.
При таком разрушении в металле не обнаруживается пла-
стическая деформация, — стальная деталь разрушается
так, будто она изготовлена из хрупкого металла.
Усталостному разрушению подвержены оси, машинные
болты, пружины, шатуны, валы и лопатки паровых тур-
бин и реактивных двигателей, иногда рельсы и т. д.
Советские конструкторы, создавая новые машины,
стремятся всемерно увеличить их рабочие скорости. С уве-
личением рабочей скорости возрастает и число перемен-
ных напряжений, которые предстоит испытать в работе
различным деталям машин. В течение своей «жизни» ко-
ленчатый вал автомобильного двигателя должен выдер-
жать 120 миллионов перемен нагрузок, паровозные оси —
400 миллионов, шатун, коленчатый вал и поршневый шток
паровой машины — 1 миллиард, а вал паровой турбины—
15 миллиардов перемен нагрузок! Чтобы вынести такое
количество знакопеременных нагрузок, металл должен
стойко сопротивляться усталостному разрушению, быть
выносливым.
55
Выносливость металла зависит от его природы, от
твёрдости и чистоты поверхности, от условий работы
и т. д. Цветные металлы более выносливы, чем чёрные.
Чем твёрже поверхность металла и чем тщательнее она
отшлифована, тем меньше в ней трещин, тем выносливее
деталь. Металл устаёт меньше, если перемена напряже-
ний совершается очень быстро.
Для определения выносливости металлов производятся
очень длительные испытания ( "
образцов на специальных
машинах. Одна из таких
машин показана на рисун-
ке 22. В патрон зажимает-
ся образец — металличе-
ский цилиндр строго опре-
делённых размеров. К дру-
гому концу цилиндра под-
вешивается груз. При этом
нижние слои образца ис-
пытывают сжатие, а верх-
ние — растяжение. При
вращении образца каждый
слой попеременно сжи-
мается и растягивается.
Таким образом, искусст-
Груз
Рис. 22. Схема испытания образцов
на выносливость.
венно создаются условия для усталостного разрушения.
Наибольшее напряжение, которое выдерживает образец
при очень большом числе циклов, называют пределом
выносливости, или пределом усталости. Цикл — это
однократный переход от наибольшего напряжения к наи-
меньшему и обратно. Практически при испытании чёрных
металлов проводят 10 миллионов циклов, а при испытании
цветных металлов 30—50 миллионов циклов.
ТВЁРДОСТЬ
Следующим важным свойством металлов и сплавов яв-
ляется твёрдость. Твёрдость — это способность тела сопро-
тивляться внедрению в его поверхность другого более
твёрдого тела. Твёрдость разных металлов и сплавов раз-
лична. Как же она может быть измерена?
Наиболее старый способ определения твёрдости заклю-
чается в том, что поверхность испытуемого материала ца-
рапается кусочком того или другого минерала. Для сравне-
56
ния служит особая минералогическая шкала,
состоящая из 10 минералов, расположенных в порядке воз-
растания твёрдости. По этой шкале самый мягкий мине-
рал— тальк (твёрдость = 1), а самый твёрдый — алмаз
{твёрдость =10).
Теперь твёрдость определяют более точным и быстрым
путём — вдавливанием в поверхность металла шарика из
закалённой стали или алмазного конуса.
Рис. 23. Приборы для определения твердости: а — вдавливанием
стального шарика, б — вдавливанием алмазного конуса.
Стальной шарик строго определённого размера яв-
ляется наконечником поршня. Поршень приводится в дви-
жение с помощью гидравлического пресса (рис. 23, а).
Шарик вдавливают в поверхность испытуемого металла
с определённой силой, а затем измеряют диаметр полу-
ченной на поверхности лунки. Чем мягче металл, тем боль-
ше будет диаметр лунки. Отношение величины силы, с ко-
торой вдавливается шарик, к величине поверхности лунки
и служит показателем твёрдости.
Если испытуемый металл твёрже закалённой стали,
пользуются алмазным конусом. Его также вдавливают
в поверхность металла. Специальный прибор (рис. 23, б)
отмечает глубину вдавливания и автоматически указывает
на шкале твёрдость в условных единицах.
57
Твёрдость — очень важная характеристика металлов.
Зная величину твёрдости металла, можно сказать о том,
насколько легко он будет обрабатываться резанием на
станках. Чем твёрже металл, тем труднее он обрабаты-
вается. С другой стороны, чем твёрже металл, тем он
Обычно лучше сопротивляется износу, тем более долгий
срок могут служить детали различных механизмов, сде-
ланные из этого металла.
Кроме того, установлено, что между прочностью ме-
таллов (пределом прочности при растяжении) и твёрдо-
стью существует определённая связь. Чем твёрже металл,
тем большей прочностью он обладает. Медь мягче же-
леза, и прочность её в полтора раза меньше, чем у железа:
для разрыва медной проволоки необходимо напряжение
около 20 кг/мм2, а для разрыва железной проволоки —
30 кг/мм?. Предел прочности составляет приблизительно
одну треть от величины твёрдости, измеренной при вдав-
ливании в поверхность металла стального шарика (твёр-
дость также может быть выражена в килограммах на
квадратный миллиметр).
Зная твёрдость металла и пользуясь зависимостью
между твёрдостью и прочностью, можно, не прибегая
к сложным испытаниям, рассчитать прочность металла.
Составлены специальные таблицы, пользуясь которыми
можно быстро найти прочность по известному значению
твёрдости. Поэтому определение твёрдости, простое и не
требующее разрушения изделий и изготовления специаль-
ных образцов, применяется очень широко.
Какие же металлы более ценны — твёрдые или мягкие?
Современная техника требует и твёрдых и мягких ме-
таллов и сплавов.
Для изготовления режущих инструментов — резцов,
фрез, свёрл, хирургического инструмента — требуются
специальные инструментальные стали, обладающие
весьма высокой твёрдостью. В металлообрабатывающей
промышленности используются особые быстрорежущие
стали и твёрдые сплавы. Твёрдые сплавы — это сплавы ко-
бальта с карбидом вольфрама или титана. По своей твёр-
дости они приближаются к самому твёрдому из извест-
ных нам минералов — алмазу; твёрдость их равна 8—9.
Резцы, изготовленные из этих сплавов, допускают очень
высокие скорости резания. Для подшипников, наоборот,
применяются мягкие и пластичные сплавы, основу
58
Механические свойства некоторых металлов и сплавов
Металл или сплав	Предел текучести в ьг/мм9	Предел прочности в кг[мм9	Относи- тельное удлинение в %%	Относи- тельное сужение в %%	Твёрдость в кг/мм9	Предел выносливо- сти в кг/мм9	Ударная вязкость в кгм1см*
Железо		12—15	25-32	21-30	60-75	50—60	18-25	16-20
Сталь малоуглеродистая (до 0,35% угле- рода) 		18—30	32—48	18-31	40—55	136-170	20—25	3-7
Сталь среднеуглеродистая (до 0,65% углерода)		25-38	50—65	10-15	30—40	180—240	24—30	3-5
Сталь высокоуглеродистая (до 2% угле- рода) 		40-45	70-80	4-8	8-12	200—260	30—36	1,5-3
Чугун		—	15-50	1,5-3	—	180—260	7-20	0,5-2
Медь		6-8	20—22	55—65	70-80	30—40	11—18	12—20
Бронза		6,5—20	28—50	10—35	20-40	60—100	—	0,5—6
Латунь		10—20	25—50	20—50	30—50	40—150	—	4-15
Никель		20—25	40—50	40—45	70—75	55—65	20—28	18—20
Никелевые сплавы		16—60	25-100	20-50	30-50	50—250	—	6-10
Алюминий		3-4	8—11	25-45	80—85	20-37	6—8	4—8
Алюминиевые сплавы (дуралюмины) . . .	24—38	42—49	13-18	25—35	100—130	10,5—11,5	2-4
Магний		—	17-20	15-17	18—20	25-30	6- 7	—
Магниевые сплавы		12—22	20—30	7-14	—	45—75	7-15	0,5-0,9
Свиней 		0,5	1,8	50	100	4-6	—	— ।
которых составляет олово или свинец. Благодаря своей
мягкости и пластичности подшипниковые сплавы хорошо
«прирабатываются» и значительно уменьшают трение
между соприкасающимися частями машин.
Твёрдость металлов и сплавов зависит от характера
их обработки. Так, например, твёрдость стали и чугуна
сильно повышается после закалки, твёрдость меди и алю-
миния повышается после их обработки давлением (после
прокатки, ковки, штамповки).
На стр. 59 приведена таблица, в которой указаны ме-
ханические свойства некоторых металлов и сплавов.
5.	КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
ВРАГИ МЕТАЛЛОВ
Из всех известных в природе химических элементов
около 70 являются металлами»—так начинался наш
рассказ о металлах. И каждый элемент отличается от дру-
гого своими химическими свойствами. Один очень бурно
соединяется с кислородом воздуха и сгорает при незначи-
тельном нагревании — другой не способен соединяться
с кислородом даже при высоких температурах. Один рас-
творяется и в воде и почти во всех кислотах — другой, на-
оборот, очень устойчив даже к действию самых сильных
кислот. Новый элемент — новые химические свойства.
Правда, существуют целые группы металлов, обладаю-
щих сходными свойствами. Похожи друг на друга в хими-
ческом отношении
железо, кобальт и никель,
медь, серебро и золото,
цинк, кадмий и ртуть,
молибден, вольфрам и уран.
Но таких групп среди металлов можно насчитать
больше десяти. Рассмотрение их химических свойств не
отвечает целям нашей маленькой книжки. Здесь мы по-
знакомимся вкратце только с теми химическими свой-
ствами металлов, которые имеют громадное значение
в практике.
Кому из вас не приходилось видеть ржавчину на же-
лезных крышах и водосточных трубах или зелёный налёт
60
на медных и бронзовых изделиях. Ржавчина на железе
и зелёный налет на меди—типичные признаки особой «бо-
лезни» металлов, которая может привести их к полному
разрушению. Такая болезнь называется коррозией (от
латинского слова «коррозио» — разъедание).
Коррозия выводит из строя громадные количества ме-
таллических изделий и наносит большой ущерб народному
хозяйству. Было подсчитано, что только в период с 1890
по 1923 год, при общей мировой продукции железа
в 1766 миллионов тонн, потери железа от коррозии соста-
вили 718 миллионов тонн — больше одной трети добытого
железа было «съедено» коррозией!
Что же является причиной коррозии? И что такое сама
коррозия?
Коррозия — это разрушение металлов и сплавов под
действием окружающей среды.
Для железа самый страшный враг — кислород. В ат-
мосфере чистого кислорода железо не ржавеет. Не ржа-
веет оно и в тех случаях, когда воздух совершенно сух
и лишён окислов азота. Но влага в воздухе есть всегда,
есть и окисли азота. Поэтому в обычных условиях железо
соединяется с кислородом и водой, и в результате на его
поверхности образуется водная окись железа — ржавчина.
Интересно отметить, что химически чистое железо не ржа-
веет: оно вполне устойчиво и в воздухе и в воде.
Медь в сухом кислороде тоже не окисляется. В обыч-
ных же условиях она соединяется с кислородом, водой и
углекислым газом и покрывается зеленоватым налётом.
Воздух промышленных районов обычно содержит раз-
личные газы (например, сернистый газ), которые также
разрушительно действуют на металлы.
При соприкосновении металлов с различными кисло-
тами, щелочами и солями часто происходит коррозия,
ещё более интенсивная, чем на воздухе. Конечно, разные
химические вещества по-разному действуют на металлы.
Так, например, железо обладает достаточно хорошей
коррозионной стойкостью в крепкой серной
кислоте, но разрушается в слабых её растворах. Медь
растворяется в водном растворе аммиака, но спокойно пе-
реносит действие растворов всех других щелочей.
Все металлы в той или иной степени подвержены кор-
розии. И чем легче металл вступает в соединение с дру-
гими элементами, тем легче он разрушается. В качестве
61
примера мы приведём здесь два металла, совершенно раз-
личных по своей химической активности.
Первый металл — это калий. Он чрезвычайно активен
в химическом отношении и в соприкосновении с воздухом
тотчас покрывается рыхлой плёнкой продуктов окисления,
а при небольшом нагревании самовоспламеняется и сго-
рает. Поэтому калий хранится обычно в керосине. В при-
роде этот металл никогда не встречается в свободном со-
стоянии. В технике он применяется только в сплавах.
Второй металл — полная противоположность калию.
Это — платина, один из наиболее благородных металлов.
Кислород воздуха на неё практически не действует. Пла-
тина не растворяется ни в одной из известных нам кислот.
Только «царская водка» — смесь крепких азотной и соля-
ной кислот — может растворить этот металл. В природе
платина всегда встречается в виде самородков. Платина
очень стойка в химическом отношении. Поэтому в лабора-
ториях в тех случаях, когда нужно получить особенно чи-
стое вещество (например, химически чистую воду), поль-
зуются аппаратами, сделанными из платины. Однако и
платина в определённых условиях способна разрушаться.
Так, например, раскалённые частицы угля губительно дей-
ствуют на платину и делают её поверхность шероховатой
и ломкой.
Коррозия значительно усиливается при нагревании.
Это относится ко всем металлам.
БОРЬБА С КОРРОЗИЕЙ
Самый старый способ защиты металлов от коррозии —
это покрытие их поверхности слоем более благородного
металла — серебрение, золочение, никелирование, луже-
ние. Лак, масло, масляная краска, защищая металл от
соприкосновения с окружающей средой, также предохра-
няют его от коррозии.
Советский учёный академик В. А. Кистяковский впер-
вые обнаружил, что от коррозии может предохранить сам
продукт коррозии! Тончайшая плёнка окислов, которая
образуется, например, на стали и на алюминии в резуль-
тате действия воздуха, может предохранить металл от
дальнейшего окисления. Нужно только суметь искусст-
венно получить тонкую прочную плёнку, и металл будет
надёжно защищён. Нанесение таких плёнок — о к с и д и-
62
р о в а н и е металлов — теперь широко применяется
для защиты стальных изделий.
В настоящее время советские учёные уделяют много
внимания изучению коррозии. Применение разработанных
ими способов защиты металлов позволяет ежегодно со-
хранять многие тысячи тонн металла от разрушения *).
Есть ещё один путь удлинения жизни металлов и спла-
вов — это их облагораживание, легирование.
Оно заключается в том, что в состав сплава дополнительно
вводятся такие элементы, которые образуют поверхност-
ную плёнку окислов, очень прочную, не поддающуюся
коррозионному разрушению. Кроме того, эти элементы
повышают коррозионную стойкость самого металла. На-
пример, в состав нержавеющих чугунов и сталей вво-
дятся хром, никель, титан, кремний, иногда — медь, мар-
ганец. Самые распространённые нержавеющие стали —
хромистая (12—30% хрома) и хромо-никелевая (около
18% хрома и 8% никеля). Слово «нержавеющая», ко-
нечно, не означает, что сталь является коррозионно стой-
кой в любых условиях. Однако нержавеющие стали со-
вершенно стойки на воздухе, в воде и в некоторых кисло-
тах и щёлочах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
U аш рассказ о наиболее интересных и важных свой-
* * ствах металлов — этого основного материала совре-
менной техники — закончен.
Развитие социалистического народного хозяйства вы-
двигает перед советскими учёными и инженерами всё но-
вые и новые требования по улучшению качества сущест-
вующих сплавов и получению новых сплавов с теми или
иными ценными свойствами.
Суметь улучшить качество сплава, найти новый сплав
с заранее заданными свойствами — это не простое дело.
Нужно хорошо знать внутреннее строение металлов;
нужно разобраться в том, как строение и состав сплава
влияют на его свойства; нужно знать, какие изменения
происходят в сплаве, начиная с застывания расплава и
*) Подробнее о коррозии и борьбе с нею читатель может узнать
из брошюры Научно-популярной библиотеки Гостехиздата, А. С. Фе-
доров «Отчего ржавеют металлы».
63
кончая моментом, когда сплав становится готовым изде-
лием. Нужно, наконец, изучить, как ведёт себя новый
сплав при действии на него тех или иных нагрузок. Это—
длительные и трудные исследования, требующие большой
настойчивости и упорства.
Одна из основных задач современной науки о метал-
лах — создание теории легирования сплавов, теории полу-
чения высококачественных сплавов.
Обычно, создавая новый сплав, поступают так: выпла-
вляют множество сплавов различного состава и изучают
их свойства. Сплавы с наиболее ценными свойствами ис-
следуются ещё более тщательно, и выбирается лучший из
них. Такой путь получения новых сплавов громоздок, до-
рог и требует длительной работы. Советские учёные в на-
стоящее время проводят исследования, которые позво-
лили бы решить этот вопрос иначе — путём строгого тео-
ретического расчёта заранее предсказать, что сплав та-
кого-то совершенно определённого состава и строения
будет иметь те или другие свойства.
Вторая важная задача науки о металлах — это оты-
скание наиболее усовершенствованных способов их обра-
ботки, при которых металл получал бы наилучшие физи-
ческие и механические свойства.
Много других интересных и практически важных во-
просов стоит перед советскими металловедами. Над этими
вопросами повседневно работает большая армия исследо-
вателей в заводских лабораториях и научно-исследова-
тельских институтах нашей великой Родины, с каждым
годом обогащая советскую науку о металлах и давая со-
ветской технике новые ценные сплавы.
ie-2-i
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................. 3
1. Металлы и сплавы....................................... 3
2. Строение металлов...................................... 12
Металл под микроскопом..............................
Металлические решётки...............................
Что такое аллотропия?...............................
Точки Чернова ......................................
Строение сплавов ...................................
3. Физические свойства металлов.........................
Температура плавления.................................. 31
Теплопроводность....................................... 32
Электропроводность..................................... 33
Магнитные свойства..................................... 36
4.	Механические свойства металлов......................... 41
Металлы — основной строительный материал техники . .	41
Как деформируются металлы.............................. 41
Показатели прочности и пластичности ................... 45
Ползучесть............................................. 32
Ударная вязкость....................................... 33
Выносливость........................................... 35
Твёрдость.............................................. 36
5.	Коррозия металлов...................................... 30
Враги металлов......................................... 30
Борьба с коррозией .................................... 32
Заключение . . ........................................... 33
Редактор А. И. Суслова.
Техн, редактор Р. А. Неграмовская.	Корректор Н. В. Казанская
Подписано к печати 19/11 1952 г. Бумага 84ХЮ81/#а. 1.0 бум. л. 3,28 печ. л.
3,36 уч.-изд. л. 41 154 тип. зн. в печ. л. Т-СО28О. Тираж 150000 экз. Цена книги 1 руб.
Заказ № 938.
3-я типография «Красный пролетарий» Главполиграфиздата при Совете Министров
СССР. Москва. Краснопролетарская, 16.
Цена 1 руб.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА