1.1 Лекция 1-конвертирован. Лекция 1 Строение и свойства материалов. Физические, химические и
 Скачать 286.72 Kb.
|
|
Лекция 1. 1.1 Строение и свойства материалов. Физические, химические и технологические свойства материалов. Типы атомных связей и их влияние на свойства материала. Кристаллическое и аморфное строение материалов. Основные типы и параметры кристаллических решеток. Дефекты кристаллического строения. Анизотропия, изотропия и квазиизотропия. Аллотропия металлов. Кристаллизация металлов и кривые охлаждения. Цель: Изучить строение и свойства материалов Задачи: Уметь применять знания на практике Материаловедение — наука о связях между составом, строением и свойствами материалов и закономерностях их изменений при внешних физико-химических воздействиях. Материалы — это исходные вещества для производства продукции и вспомогательные вещества для проведения производственных процессов. Различают следующие разновидности материалов: сырье, или сырые материалы, которые подлежат дальнейшей переработке (железная руда на металлургическом заводе, нефть на нефтеперерабатывающем комбинате) полуфабрикат — переработанный материал, который должен пройти одну или несколько стадий обработки, для того чтобы стать изделием, годным к потреблению. Все материалы по химической основе делятся на две основные группы — металлические и неметаллические. К металлическим относятся металлы и их сплавы. Металлы составляют более 2/3 всех известных химических элементов. В свою очередь, металлические материалы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на его основе — стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Физические, химические и эксплуатационные свойства материалов Свойство - отличительная сторона предмета (материала), обуславливающая его отличие от других и проявляющаяся в их отношении к ним. В табл.1 обозначены основные свойства материалов, а в табл. 2 – свойства некоторых металлов. Таблица 1 Основные свойства металлов Физические Химические Механические Технологические Цвет Блеск Плотность Температура плавления Электропроводность Теплопроводность Намагничиваемость и др. Коррозионная стойкость Окисляемость Жаростойкость Жаропрочность Растворимость Кислото- щелоче- упорность и др. Пластичность Упругость Вязкость Хрупкость Твердость Прочность и др. Обрабатываемость резанием Свариваемость Жидкотекучесть (литейные свойства) Обрабатываемость давлением (н-ер, ковкость) и др. Таблица 2 Свойства некоторых металлов Металл Плотность (кг/м3) T плав- Удельная теплоем- Теплопро- водность НВ Предел прочности при ления кость растяжении Алюминий 2700 660 879 20096 20…37 8…11 Вольфрам 19300 3377 133,98 15909 160 110 Железо 7860 1539 460 5861 50 25…33 Кобальт 8900 1480 418 6698 125 70 Магний 1740 651 1046 15491 25 17…20 Медь 8920 1083 376 41030 35 22 Никель 8900 1455 460 50241 60 40…50 Олово 7310 232 230 6698 5…10 2…4 Свинец 11300 327 129 3516 4…6 1,8 Титан 4500 1660 460 1507 - 30…45 Хром 7100 1800 464 2930 108 - Цинк 7140 420 389 11304 30…42 1,1…15 К физическим свойствам материалов относится плотность, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, магнитные свойства, коэффициент температурного расширения и др. Плотностью называется отношение массы однородного материала к единице его объема. Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными. Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле. Электропроводностью называется способность материала хорошо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемом в электроизоляционных материалах. Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы. Магнитными свойствами т.е. способностью хорошо намагничиваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы. Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании. Это свойство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке железнодорожных и трамвайных путей и т.д. Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способностью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различных агрессивных сред называется коррозионной стойкостью, а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью. К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др. Жаростойкость характеризует способность металлического материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре. Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре. Износостойкость — это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении. Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения. Металлы и сплавы Строение металлов В технике под металлами понимают вещества, обладающие комплексов металлических свойств: характерным металлическим блеском, высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой пластичностью. Кристаллические решетки. Все вещества в твердом состоянии могут иметь кристаллическое или аморфное строение. В аморфном веществе атомы расположены хаотично, а в кристаллическом — в строго определенном порядке. Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой расположены атомы. Наименьшая часть кристаллической решетки, определяющая структуру металла, называется элементарной кристаллической ячейкой. На рис. 2 изображены элементарные ячейки для наиболее распространенных кристаллических решеток. В кубической объемно-центрированной решетке (рис. 2,а) атомы расположены в узлах ячейки и один атом в центре куба. Такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден и др. В кубической гранецентрированной решетке (рис. 2,б) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Эту решетку имеют алюминий, медь, никель и другие металлы. В гексагональной плотноупакованной решетке (рис. 2,в) атомы расположены в вершинах и центрах оснований шестигранной призмы и три атома в середине призмы. Такой тип решетки имеют магний, цинк и некоторые другие металлы. Рис. 2. Основные виды кристаллических решеток. Кристаллизация металлов. Процесс образования в металлах кристаллической решетки называется кристаллизацией. Для изучения процесса кристаллизации строят кривые охлаждения металлов, которые показывают изменение температуры (t) во времени (τ). На рис. 3 приведены кривые охлаждения аморфного и кристаллического веществ. Затвердевание аморфного вещества (рис. 3,а) происходит постепенно, без резко выраженной границы между жидким и твердым состоянием. На кривой охлаждения кристаллического вещества (рис. 3,6) имеется горизонтальный участок с температурой tкр), называемой температурой кристаллизации. Наличие этого участка говорит о том, что процесс сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации. Длина горизонтального участка — это время кристаллизации. Рис. 3. Кривые охлаждения аморфного и кристаллического тел Кристаллизация металла происходит постепенно. Она объединяет два процесса, происходящих одновременно: возникновение центров кристаллизации и рост кристаллов. В процессе кристаллизации когда растущий кристалл окружен жидкостью, он имеет правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается (рис. 4.) Рис. 4. Схема процесса кристаллизации металла После окончания кристаллизации образуются кристаллы неправильной формы, которые называются зернами или кристаллитами. Внутри каждого зерна имеется определенная ориентация кристаллической решетки, отличающаяся от ориентации решеток соседних зерен. Полиморфизм. Некоторые металлы в зависимости от температуры могут существовать в различных кристаллических формах. Это явление называется полиморфизм или аллотропия, а различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными модификациями. Процесс перехода от одной кристаллической формы к другой называется полиморфным превращением. Полиморфные превращения протекают при определенной температуре. Полиморфные модификации обозначают строчными греческими буквами α, β, γ, δ и т. д., причем, α соответствует модификации, существующей при наиболее низкой температуре. Полиморфизм характерен для железа, олова, кобальта, марганца, титана и некоторых других металлов. Важное значение имеет полиморфизм железа. На рис. 5 изображена кривая охлаждения железа. Полиморфные превращения характеризуются горизонтальными участками на кривой охлаждения, так как при них происходит полная перекристаллизация металла. До 911° С устойчиво Fea, имеющее кубическую объемно- центрированную решетку. В интервале 911-1392° С существует Fey c кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. При 1392-1539° С вновь устойчиво Fea. Часто высокотемпературную модификацию Fea обозначают Feδ. Остановка на кривой охлаждения при 768° С связана не с полиморфным превращением, а с изменением магнитных свойств. До 768° С железо магнитно, а выше — немагнитно. Рис. 5. Кривая охлаждения железа Дефекты кристаллического строения. Реальный металлический кристалл всегда имеет дефекты кристаллического строения. Они подразделяются на точечные, линейные и поверхностные. Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. К точечным дефектам относятся вакансии, представляющие собой узлы кристаллической решетки в которых отсутствуют атомы (рис. 6,а), а также замещенные атомы примеси (рис.6,6) и внедренные атомы (рис. 6,в) которые могут быть как примесными, так и атомами основного металла. Точечные дефекты вызывают местные искажения кристаллической решетки, которые затухают достаточно быстро по мере удаления от дефекта. Рис. 6. Схемы точечных дефектов в кристаллах Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Эти дефекты называют дислокациями. Краевая дислокация (рис. 7) представляет собой искажение кристаллической решетки, вызванное наличием «лишней» атомной полуплоскости. Рис.7 Схема краевой дислокации Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. К ним относятся, например, границы между отдельными зернами или группами зерен. |