лекция. Лекционный_комплекс_1_. Строением и свойствами металлических

• Название: Строением и свойствами металлических
• Анкор: лекция
• Дата: 27.12.2022
• Размер: 17.52 Kb.
• Имя файла: Лекционный_комплекс_1_.docx
• Тип: Закон; #865831

Введение
Материаловедение – наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлических сплавов и неметаллических материалов, а также рассматривающая закономерности их изменения под влиянием механических, физико- химических и других видов воздействий. Главными материалами в машиностроении являются металлы и сплавы, они составляют 85-95% от массы машин. Поэтому в курсе материаловедения им уделяется наибольшее внимание.

Металлы – простые вещества, обладающие высокой тепло- и электропроводностью, ковкостью, металлическим блеском, непрозрачностью и другими свойствами, характерными для металлов. Металлы и сплавы на их основе обладают комплексом механических, физических, химических и технологических свойств, обеспечивающих широкое их применение в различных отраслях техники.

Атомно-кристаллическое строение металлов

Закономерное расположение атомов в кристалле описывается кристаллической решеткой, т.е. трехмерным, периодически повторяющимся расположением атомов во всем объеме кристалла.

Большинство металлов кристаллизуется в трех типах решеток: гранецентрированной кубической, объемно-центрированной кубической и гексагональной, которая может быть плотноупакованной и неплотноупакованной.

Периодом кристаллической решетки называется расстояние между центрами двух соседних атомов, расположенных вдоль рационально выбранных осей ячейки( при выборе обеспечивается ее минимальный объем ). Периоды кристаллических решеток измеряют в нанометрах – нм (10^-9м). У большинства металлов периоды решеток меняются от 0,25 до 0,55 нм.

Координационным числом (К) называется количество атомов, находящихся на наиболее близком и одинаковом расстоянии от любого произвольно выбранного атома в решетке. Координационное число для объемно-центрированной кубической ОЦК решетки равно 8. Для гранецентрированной кубической решетки ГЦК координационное число –

12. 
    В гексагональной плотноупакованной решетке ГПУ координационное число также равно -12 .
    

Базисом решетки называют количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Базис ГЦК решеток равен 4, базис ОЦК составляет 2 и базис ГПУ равен 6.

Коэффициент компактности решетки η определяется отношением объема, ^{занимаемого атомами с условно сферической формой V}а^{, ко всему объему ячейки V}ρ<sup>, т.е.

  V</sup>а^{/ V}ρ. ^{Для ОЦК решеток коэффициент компактности равен 0,68, для ГЦК он}

составляет 0,74 и для ГПУ равен 0,74.

Виды несовершенств кристаллического строения металлов

В кристаллах всегда имеются дефекты несовершенства строения, вызванные нарушением расположения атомов в кристаллической решетке. Дефекты кристаллического строения по геометрическим признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

К точечным дефектам относят вакансии и межузельные атомы. Отдельные атомы имеют энергию, превосходящую среднюю и могут перемещаться из одного места в другое. Освободившееся место, где находился переместившийся атом, называется вакансией. Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучении и других видах обработки.

Межузельные дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетки в межузлие кристаллической решетки. Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки.

Линейные дефекты называются дислокациями. Различают два вида дислокаций – краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой местное искажение кристаллической решетки; винтовая дислокация образуется при неполном сдвиге кристалла по плоскости. Дислокации образуются в процессе кристаллизации, при термической и химико-термической обработках, пластической деформации и других видах воздействий на структуру сплавов. Для дислокации характерна большая подвижность. Это связано с тем, что кристаллическая решетка в зоне нахождения дислокации упруго искажена, а смещенные атомы стремятся переместиться в равновесное положение. На свойства металлов влияет не только плотность дислокаций, но и их расположение в объеме.

Поверхностные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными кристаллитами или их блоками. На границах зерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.

Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-кристаллического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов.

Процессы кристаллизации

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется

кристаллизацией. Этот вид кристаллизации называется первичной в отличие от вторичной кристаллизации (перекристаллизации), которая имеет место в твердом металле.

До тех пор , пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет правильную геометрическую форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и образуются так называемые кристаллы – зерна. Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше степень охлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства металла (сплава); особенно это сказывается на пластичности. На процесс кристаллизации оказывает влияние ультразвук; модифицирование; введение порошков, частицы которых служат центрами кристаллизации.

По механизму воздействия на процесс кристаллизации модификаторы можно разделить на две группы: 1) модификаторы – тугоплавкие металлы, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации, 2) модификаторы – поверхностно активные вещества. Эти модификаторы растворяются в жидком металле.

Осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, они образуют очень тонкий слой, который препятствует дальнейшему росту этих кристаллов; металл получается мелкозернистым.

Полиморфизм

Для некоторых металлов характерно Существование двух и более типов кристаллических решеток. Железо, которое при низких температурах имеет ОЦК решетку (α-железо), при нагреве до 911 °C перестраивается в ГЦК решетку (γ-железо), а при 1392

°C – снова в ОЦК решетку (δ-железо), но уже с периодом несколько отличным от низкотемпературной модификации.

Многие другие технически важные металлы, примерно 20, также имеют несколько модификаций. Титан имеет две модификации – ГПУ (α-титан) и ОЦК (β-титан), кобальт – ГПУ (α-кобальт) и ГЦК (β-Со). Сам факт существования различных кристаллических

решеток у одного элемента в разных температурных областях называется полиморфизмом. Переход от одного типа решетки к другому называется полиформным превращением.

Полиморфные превращения могут происходить не только в результате изменения температуры, но также и под действием высоких давлений.

Благодаря использованию явления, полиморфизма, имеется возможность в значительной степени изменять свойства широкого круга используемых в технике конструкционных материалов (сплавов на основе железа, титана, кобальта и других элементов).

Понятие о строении сплавов

Металлический сплав получают сплавлением двух или более металлов; сплавлением преимущественно металлов с неметаллами; спеканием порошков нескольких металлов. Существуют и другие методы получения сплавов. Полученное соединение обладает более высокими свойствами, чем чистые металлы.

Элемент, входящий в состав сплава, называется компонентом. Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным. Компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими. Совокупность компонентов сплава называется системой.

В зависимости от природы компонентов и от соотношения массовых количеств их сплавы после затвердевания могут образовывать механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

Механические смеси образуются, когда из жидкого расплава одновременно выпадают кристаллы составляющих его компонентов. Механические смеси могут состоять из кристаллитов чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений. При образовании механической смеси кристаллические решетки фаз не меняются.

Фазойназывают однородную часть системы, отделенную от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяется скачкообразно.

В твердом растворе одно из входящих в состав сплава веществ сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второе вещество, утратив свое кристаллическое строение, в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого. Первое вещество является растворителем, а второе – растворимым. В зависимости от характера распределения атомов растворимого элемента различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания.

В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента распределяются в кристаллической решетке металла-растворителя, занимая места между его атомами. Разместиться в таких пустотах могут только атомы с очень малыми размерами.

Наименьшие размеры атомов имеют некоторые неметаллы – водород, азот, углерод, бор, которые и образуют с металлами твердые растворы внедрения.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов основного металла. А атомы растворимого элемента могут замещать атомы растворителя в любых местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными. Одно из условий неограниченной растворимости - размерный фактор: чем больше различие в атомных радиусах, тем меньше растворимость.

Неограниченная растворимость компонентов присуща системам, в которых атомные радиусы элементов различаются не более чем на 8-15%. Кроме того, они должны быть изоморфными (иметь близкие по типу и по параметрам кристаллические решетки). В

^{таблице Д.И.Менделеева такие элементы расположены близко, например системы Fe}α ^{- Cr,} Cu - Ni, Co - Ni, Ti - V и др.

С понижением температуры в твердых растворах замещения может произойти процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы растворенного элемента займут строго определенные места в решетке растворителя. Такие твердые растворы называют упорядоченнымитвердымирастворами, а из структуру - сверхструктурой. Температуру перехода неупорядоченного состояния в упорядоченное называют "точкой Курнакова". Упорядоченные твердые растворы характеризуются большей твердостью, меньшей пластичностью и электросопротивлением. Их можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями.

Химические соединения чаще всего образуются между элементами, существенно различающимися по своему строению и свойствам.

Химические соединения имеют ряд особенностей, отличающихся их от твердых растворов: а) соотношение чисел атомов элементов, образующих соединение, строго определенное, соответствующее стехиометрической пропорции, выраженной формулой ^{вида А}n ^Bm^{; б) они имеют свою кристаллическую решетку, отличную от решеток} элементов, образовавших это соединение, с правильным упорядоченным расположением атомов компонентов в кристаллической решетке; в) свойства соединения заметно отличаются от свойств исходных элементов; г) как и чистые металлы, они имеют постоянную температуру плавления (диссоциации). Химические соединения, как правило, обладают большей твердостью и очень хрупкие.

Литература

1. 
   Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка.– М.: Металлургия, 1986 - 360 с.
   
2. 
   Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986 - 544с.
   
3. 
   Металловедение и термическая обработка стали: Справочник в трех томах под ред.М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. – М.: Металлургия, 1983 г.
   
4. 
   Новиков И.И. Теория термической обработки металлов – М.: Металлургия, 1991, 400с.
   
5. 
   Блантер М.Е. Теория термической обработки - М.: Металлургия, 1984, 328с.
   
6. 
   Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки стали - М.: Металлургия, 1986, 421с.
   
7. 
   Колачев Б.А., Габидулин Р.М., Пигузов Ю.В. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов - М.: Металлургия, 1980, 280с.
   
8. 
   Артикайн П.А. Металловедение. – М.: Металлургия, 1972 – 256 с.
   
9. 
   Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение – М.: Металлургия, 1978 – 446 с.
   
10. 
    Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение – М.: Металлургия,
    

1989 – 384 с.

11. 
    Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1980 – 493 с.
    
12. 
    Сулеймен Е.Б. Металлтану- Павлодар, ПГУ, 2006-384 с.