Что такое основы материаловедения
Основы материаловедения
Вещество – совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул.
Материал – один из видов вещества, который идёт на изготовление изделия и представляет собой промежуточный продукт переработки вещества в изделие. Этот продукт, как правило, отвечает потребностям конкретного производственного процесса, имеет сложный химический состав и (или) наперёд заданную внутреннюю структуру и внешнюю форму.
Вещество – железо, медь, кремний, полиэтилен, глинозём
Материал – сталь (стальной прокат), медная фольга, полиэтиленовая плёнка, корундовая керамика.
В физике используют понятие твёрдое тело, понимая под этим вещество в твёрдом состоянии.
Содержание предмета материаловедение можно отразить общей формулой:
состав – структура – свойства
Все простые вещества в соответствии с положением в периодической таблице элементов Менделеева делятся на металлы (80 элементов), полуметаллы и неметаллы.
Лишь немногие из металлов применяются в технике в элементарном виде.
Например, для реализации электропроводности (в порядке уменьшения сопротивления): серебро Ag, медь Cu, золото Au, платина Pt, палладий Pd.
В основном, металлы используются в виде сплавов. Их количество огромно, свойства разнообразны, вследствие чего, создание новых сплавов является актуальной задачей.
Среди полуметаллов особое значение имеют элементарные полупроводники (13 элементов), такие как кремний Si, германий Ge, селен Se, серое олово Sn, углерод C.
Однако, значение неметаллов огромно, так как в соединениях с металлами они образуют всё многообразие простых и сложных неорганических химических соединений с новыми, неприсущими исходным веществам, свойствами, которые и являются материалами РЭС.
Существует 4 типа связи:
Ионная отличается присвоением одним их элементов химического соединения валентных электронов второго.
Ковалентная характеризуется равномерным распределением валентных электронов между атомарными остовами веществ, составляющих соединение.
Металлическая характеризуется наиболее полным обобществлением валентных электронов. У металлов кристаллические решётки «погружены» в электронный газ.
Молекулярная является наиболее слабой. Она обусловлена кулоновским взаимодействием между положительно заряженным ядром первого атома и отрицательно заряженной электронной оболочкой второго.
В чистом виде химические связи практически не встречаются. Наблюдаются смешанные: ионно-ковалентная, ковалентно-металлическая.
Понятие структура имеет 4 аспекта:
1. Степень упорядоченности в расположении микрочастиц.
2. Особенности их взаимного расположения.
3. Вид и концентрация кристаллических дефектов (дефектоструктура).
4. Состав и строение фаз.
По степени упорядоченности различают тела кристаллические и аморфные.
Кристалл – твёрдое тело, имеющее трёхмерное периодически правильное пространственное расположение микрочастиц, то есть дальний порядок.
Аморфное тело – тело, не располагающее дальним порядком. Однако, считать аморфные тела хаотическими, неструктурированными – не правильно. В них наблюдается ближний порядок в расположении микрочастиц.
Границей, условно разделяющей кристаллические и аморфные тела принято считать метод исследования упорядоченности структуры.
Существует рентгеноструктурный анализ, позволяющий засечь (найти) кристаллиты (упорядоченные области) в структуре материала размером 100 нм. Поэтому, применив этот метод, и не найдя признаков упорядоченности, говорят, что данное тело рентгеноаморфно.
Монокристалл – единичный относительно крупный кристалл с совершенной структурой, заданными свойствами и полученный, как правило, искусственным путём.
Поликристалл – совокупность неориентированных относительно друг друга зёрен кристаллитов. При этом кристаллиты не являются монокристаллами, так как они не единичны, малы, их структура, как правило, искажена.
Свойства монокристалла в основном определяются природой вещества, а свойства поликристалла, помимо этого, зависят от размера кристаллитов, состава и структуры границ зёрен.
Граница зёрен – нарушение периодичности расположения микрочастиц, сопровождающееся появлением оборванных, ненасыщенных связей, которые сильно влияют на механические, химические и физические свойства материалов, в том числе и на электропроводность.
Порядки величин удельного сопротивления:
ρмонокристалла – 1 Ом·м, ρполикристалла – 10 Ом·м, ρаморфного тела – 100 Ом·м
Особенности взаимного расположения микрочастиц
Эти особенности изучает предмет кристаллография.
Минимальный повторяющийся объём кристаллический структуры называется элементарной ячейкой. Размер элементарной ячейки (период повторения) называется параметром элементарной ячейки.
Установлено 14 типов элементарных ячеек, которые различаются размерами рёбер, углами между рёбрами и т.д.
Доказано, что другие геометрические тела не могут обеспечить полного заполнения.
Все типы пространственных решёток разбиты на 7 сингоний. Наиболее распространенной в природе является кубическая сингония. Она распадается на 3 различных вида, представленных на рисунке 1.
Рисунок 2. Гексогональная кристаллическая решётка
Рисунок 3. Тригональная кристаллическая решётка
Ag, Al, Au, Pt, Pb, Cu, некоторые сложные полупроводниковые соединения (GaAs)– ГЦК;
элементарные полупроводники (Si, Ge) – алмазоподобная кубическая решётка.
Если кристалл имеет форму естественного правильного многогранника, легко установить, что свойства различных граней неодинаковы, то есть имеет место анизотропия.
В кубической кристаллической решётке простыми (синголярными) гранями являются представленные на рисунке 4.
Вполне очевидно, что плотность расположения атомов даже на простых синголярных гранях различна. В порядке убывания плотности: (1;1;1); (1;0;0); (1;1;0).
До сих пор речь шла об идеальной решётке. На практике можно утверждать: идеальных кристаллов не существует ни в природе ни в технике.
Всё многообразие существующих дефектов структур можно разбить на два класса:
I Динамические (временные) дефекты. Оказывают существенное влияние, на них нельзя повлиять. Пример: фононы – кванты тепловой энергии – элементарное колебание атома в решётке. Отсутствие данного дефекта возможно только при 0° К.
II Статические (постоянные) дефекты. Их классифицируют по геометрическому признаку:
1. Точечные, 0-мерные. Являются самыми маленькими и распространёнными (вакансии, междоузельные атомы, примесные атомы)
2. Линейные, 1-мерные. К ним относят различные виды дислокаций: винтовые, сдвиговые, несовпадения и другие. Вследствие возникновения внутри кристаллической решётки протяжённого ряда атомов с оборванными связями образуется дислокационная пора, пронизывающая весь кристалл (рисунок 5).
Рисунок 5. Сдвиговая дислокация
3. Плоскостные, 2-мерные. Наиболее большим дефектом кристалла является его поверхность. Также к плоскостным дефектам относятся границы зёрен в поликристаллической структуре вещества (рисунок 6). Возможно возникновение границы двойникования, при переходе через которую наблюдается зеркальное отображение структуры кристаллической решётки (рисунок 7).
4. Объёмные, 3-мерные. К ним относятся трещины, сколы, макропустоты, макровключения иной фазы.
Практически все статические дефекты сопровождаются оборванными связями, которые стремятся к завершению. Таким образом, дефекты оказывают существенное влияние на движение носителей заряда, так как фактически представляют собой своего рода микро- и наноконденсаторы, накапливающие заряд и разряжающиеся при смене полярности. Это приводит к увеличению времени быстродействия переходных процессов и, соответственно, к ограничению быстродействия.
Состав и строение фаз
Элементы теории сплавов
Металлическим сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух или более исходных веществ (компонентов) преимущественно металлических. Помимо сплавления сплавы получают спеканием, электролизом и другими методами.
При кристаллизации сплавов могут образовываться следующие твёрдые фазы: твёрдый раствор, химическое соединение, механическая смесь.
Твёрдые растворы – наиболее распространённая форма существования сплава. Характерная особенность – сохранение типа кристаллической решётки растворителя (доминирующего компонента). Различают два варианта образования твёрдых растворов:
1. Твёрдые растворы замещения
2. Твёрдые растворы внедрения
В твёрдых растворах замещения атомы растворяемого компонента встроены в кристаллическую решётку растворителя. Существуют сплавы с ограниченной и неограниченной растворимостью. В случае ограниченной растворимости количество растворяемого компонента, вводимого в объём растворителя, как правило не велико. При превышении определённого количества происходит выделение растворяемого компонента в виде включения иной фазы. Неограниченная растворимость возможна в том случае, если решётки растворяемого компонента и растворителя изоморфны, что подразумевает схожесть кристаллического строения, близость атомарных радиусов, рассогласование не более 8-13%, близость физико-химических свойств. Причём перечисленные условия являются необходимыми, но не достаточными, так как на практике такое совпадение маловероятно. Наиболее приближенный вариант – в сплаве решётка одного компонента плавно переходит в решётку другого, замещает.
Твёрдые растворы внедрения образуются внедрением атомов в поры кристаллической решётки растворителя. Это возможно, когда внедряемые атомы имеют малые размеры (атомы водорода, углерода, азота, бора). Их атомы проникают в объем, но не встраиваются.
Характерными особенностями химических соединений являются:
1. Постоянство свойств и состава, которое может быть выражено химической формулой.
2. Образуется новый тип кристаллической решетки, отличной, как правило, от решеток исходных компонентов.
3. Постоянство температуры кристаллизации – как у чистых компонентов.
Все химические соединения делятся на 2 группы:
1. Соединения типичных металлов с типичными неметаллами (оксиды, сульфиды, хлориды и т.д.)
2. Металлические химические соединения отличаются разнообразием типов химических связей с доминирующей металлической. Их отличает наличие металлического блеска, электропроводности и т.д. (сплавы металлов с углеродом – карбиды, с азотом – нитриды, с водородом – гидриды, с бором – бориды и т.д.).
3. Механические смеси. Образуются при сплавлении компонентов с большим различием атомных радиусов и электрохимических свойств. Их взаимная растворимость очень мала, из чего следует, что при кристаллизации образуется чисто механическая смесь кристаллитов исходных компонентов. Например, сплавы свинца с сурьмой, цинка и оловом.
Конструкционные материалы приборостроения
Сталь – сплав на основе железа Fe с углеродом С – основной материал для изготовления приборов и РЭС.
1. Высокий модуль упругости, обуславливающий жёсткость
2. Высокая прочность
3. Регулируемая вязкость
4. Хорошие технологические характеристики.
Конструкционные стали подразделяются на углеродистые стали обыкновенного качества, качественные углеродистые стали, низколегированные (содержание примеси не превышает 2%), среднелегированные (примесь составляет 2-5%) и высоколегированные (содержание примеси превышает 5%) конструкционные стали.
Свойства конструкционных сталей сильна изменяются в результате термической и других видов обработки. Вследствие этого оптимальный выбор марки стали и её последующей обработки считается весьма сложной задачей. Низкое качество деталей машин чаще всего является следствием неправильного решения этой задачи.
В углеродистых сталях обыкновенного качества количество вредных примесей повышенное по сравнению с другими видами: содержание серы S – 0,06%, фосфора Р – 0,08%).
Качественные углеродистые стали содержат меньшее количество примесей: S≤0,04%, Р≤0,035%)
Стали обыкновенного качества находят разнообразное применение в малоответственных конструкциях, редко подвергаемых термическому упрочнению. Они наиболее часто применяются при изготовлении РЭС.
Маркировка сталей данного типа имеет структуру: на первом месте ставится буква, обозначающая группу стали (Б, В), затем комбинация букв СТ и номер от 1 до 6. Чем он больше, тем твёрже сталь. Иногда в маркировку вводятся сведения о режимах выплавки: ПС – полуспокойная, СП – спокойная, КП – кипящая.
Качественные конструкционные стали
Маркируются буквами СТ и двузначным номером от 08 до 85, который показывает среднее содержание углерода в стали, измеряемое в сотых долях процента. Например стали марки СТ40 содержит 0,4% углерода.
К качественным сталям относят стали, с повышенным содержанием марганца: от 0,7 до 1%. Такие стали в конце марки имеют букву Г.
Качественные конструкционные стали делятся на низкоуглеродистые (содержание углерода не более 0,3%, высокопластичные, малопрочные,), среднеуглеродистые (содержание углерода 0,3-0,55%, с увеличением концентрации С прочность тоже увеличивается) и углеродистые (содержание углерода 0,3-0,55%, высокопрочные, износостойкие).
В целом, обо всех сталях можно сказать: они не дефицитны, относительно дёшевы, технологичны.
1. Малая коррозийная устойчивость
2. Слабая прокалиевомость
3.Сильная чувствительность к перегреву или неправильной термической обработке.
Легированные конструкционные стали
Их положительные свойства обнаруживаются в термически обработанном состоянии, из чего следует, что из них изготавливают детали, обязательно подвергаемые термообработке.
В термически обработанном состоянии все легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям, чем углеродистые стали (при равном содержании углерода).
Большинство легирующих элементов используется для стабилизации аустенита, то есть увеличивают устойчивость свойств при нагревании, следовательно, прокалиевамость легированных сталей выше, чем углеродистых, что даёт возможность изготовления нагружаемых деталей большего сечения.
Использование более мягких охладителей при закалке (например, масла) приводит к снижению количества закалочных дефектов.
1. Многие легированные стали подвержены обратимой отпускной хрупкостью
2. В высоколегированных сталях после закалки появляется сопротивление усталости, снижающее твёрдость
3. Неравномерность распределения легирующих примесей приводит к анизотропии свойств формируемых деталей
4. Легированные стали дороже углеродистых, так как содержат дефицитные компоненты: хром Cr, бор B, никель Ni, марганец Mn, титан Ti, молибден Mo, вольфрам W, ванадий V.
Влияние некоторых примесей на свойства стали: хром повышает твёрдость; бор – прокалиевомость; никель – и прочность и прокалиевомость, снижает температуру хладноломкости; титан уменьшает размер зёрен; молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность; кремний – вязкость и температурный запас вязкости.
Цветные металлы и сплавы
Все они обладают достаточной механической прочностью и значительно легче стали.
В настоящее время эти сплавы широко распространены в технике и РЭ.
Электронный краткий конспект лекций по теме: «Материаловедение» (стр. 1 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 |
Автор: преподаватель спец. дисциплин
Материаловедение относится к числу основополагающих дисциплин для машиностроительных специальностей. Это связано с тем, что получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют уровнем своего развития научно-технический и экономический потенциал страны. Проектирование рациональных, конкурентоспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения.
Материаловедение является основой для изучения многих специальных дисциплин.
Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материала в тесной связи с их свойствами. Основные свойства материалов можно подразделить на физические, механические, технологические и эксплуатационные.
От физических и механических свойств зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов.
Среди механических свойств прочность занимает особое место, так как прежде всего от нее зависит неразрушаемость изделий под воздействием эксплуатационных нагрузок. Учение о прочности и разрушении является одной из важнейших составных частей материаловедения. Оно является теоретической основой для выбора подходящих конструкционных материалов для деталей различного целевого назначения и поиска рациональных способов формирования в них требуемых прочностных свойств для обеспечения надежности и долговечности изделий.
В настоящих лекциях рассмотрены физические основы строения и свойств конструкционных материалов, приводятся широко используемые методы определения механических свойств материалов при различных видах нагружения, излагаются основы термической обработки и поверхностного упрочнения деталей, даются характеристики основных групп конструкционных материалов.
Цель и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе
Целью преподавания дисциплины является научить инженеров применять основные методы управления конструкционной прочностью материалов и проводить обоснованный выбор материала для изделий с учетом условий их эксплуатации.
Для достижения поставленной цели при изучении дисциплины решаются следующие основные задачи:
· приобретение знаний по оценке технических свойств материалов, исходя из условий эксплуатации и изготовления изделия;
· формирование научно обоснованных представлений о возможностях рационального изменения технических свойств материала путем изменения его структуры;
· ознакомление со способами упрочнения материалов, обеспечивающими надежность изделий и инструментов;
· ознакомление с основными группами современных материалов, их свойствами и областью применения.
Преподавание дисциплины базируется на знаниях, полученных в курсе “Физика”:
На момент начала изучения дисциплины «Материаловедение» студентам необходимо знание следующих понятий: нагрузка, напряжение, деформация упругая и пластическая, работа, энергия, агрегатное состояние вещества, термодинамическая система, параметры термодинамической системы, внутренняя энергия, атомно-кристаллическое строение металлов, типы связей частиц в твердом теле, основные физические свойства металлов.
Материаловедение подготавливает студента к освоению специальных дисциплин изучающих основные производственные технологии и процессы.
Знание основ материаловедения необходимо технологу, инженеру, работающим в сфере эксплуатации современных машин и конструкций.
6. Лахтин материаловедения. – М.: Металлургия, 1988.
9. Материаловедение и конструкционные материаалы. \ и др. Минск: Высш. шк., 1989.
12. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник. Т.1, Т.2, Т.3 – М.: Металлургия, 1983.
14. Новиков термической обработки металлов. – М.: Металлургия, 1986.
Материаловедение. Краткие исторические сведения о развитии материаловедения.
Как наука материаловедение насчитывает около 200 лет, несмотря на то, что человек начал использовать металлы и сплавы ещё за несколько тысячелетий до нашей эры. Только в 18 веке появились отдельные научные результаты, позволяющие говорить о начале осмысленного изучения всего того, что накопило человечество за всё время использования металлов.
Заметную роль в изучении природы металлов сыграли исследования французского учёного Реомюра (). Ещё в 1722 году он провёл исследование строения зёрен в металлах. Англичанин Григнон ещё в 1775 году обратил внимание на то, что при затвердевании железа образуется столбчатая структура. Ему принадлежит известный рисунок дендрита, полученного при медленном затвердевании литого железа.
В России первым, кто начал научно осмысливать проблемы металлургии и литейного дела, был (). Им написано учебное руководство «Первые основания металлургии рудных дел», в котором он, описывая металлургические процессы, постарался открыть их физико-химическую сущность.
Заметных успехов металловедение достигло лишь в 19 веке, что связано в первую очередь с использованием новых методов исследования структуры металла. В 1831 году () провёл исследование металла на полированных и протравленных шлифах, впервые применив микроскоп для исследования стали. Значительный вклад в развитие металловедения внесли работы русского учёного-металлурга (), английских ученых Сорби и Роберта Аустена (), немца А. Мартенса (), Трооста и американца Э. Бейна (), которые, каждый в своё время, рассматривая под микроскопом и фотографируя структуры, установили существование структурных превращений в сталях при их непрерывном охлаждении.
В г. г Гиббс изложил основные законы фазового равновесия и, в частности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики. Для решения практических задач знание фазового равновесия в той или иной системе необходимо, но не достаточно для определения состава и относительного количества фаз. Обязательно знать структуру сплавов, то есть атомное строение фаз, составляющих сплав, а также распределение, размер и форму кристаллов каждой фазы.
Создание научных основ металловедения по праву принадлежит (1839 – 1903), который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.
Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.
В своих работах по кристаллизации стали, и строению слитка Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время.
Разработка в 1902 году американскими учёными Ф. Тейлором и М. Уайтом быстрорежущей стали произвела переворот в машиностроении. Резко возросла производительность механической обработки, появились новые быстроходные станки и автоматы.
В 1906 году немецкий исследователь А. Вильм создал высокопрочный сплав алюминия с медью – дуралюмин, прочность которого в результате старения в несколько раз превышала прочность технического алюминия и других алюминиевых сплавов при сохранении достаточного запаса пластичности. Использование дуралюмина в самолётостроении на многие годы определило прогресс в этой области техники.
Немецким инженером заводов Круппа Мауэром и профессором Штраусом в 1912 году была получена хромоникелевая аустенитная нержавеющая сталь, а в 1912году Бренли – ферритная нержавеющая сталь.
Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912 г), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют пространство, образуя пространственную дифракционную решетку, и что рентгеновские лучи имеют волновую природу. Дифракция рентгеновских лучей на такой решетке дает возможность исследовать строение кристаллов.
В последнее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны. Соответствующие методы исследования называются электронографией и нейтронографией. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полезное максимальное увеличение доведено до раз.
В пятидесятых годах, когда началось исследование природы свойств металлических материалов, было показано, что большинство наиболее важных свойств, в том числе сопротивление пластической деформации и разрушению в различных условиях нагружения, зависит от особенностей тонкого кристаллического строения. Этот вывод способствовал привлечению физических теорий о строении реальных металлов для объяснения многих непонятных явлений и для конструирования сплавов с заданными механическими свойствами. Благодаря теории дислокаций, удалось получить достоверные сведения об изменениях в металлах при их пластической деформации.
Современное развитие материаловедения как науки.
Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.
Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты, с которыми преимущественно работают. Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с заранее расчитаными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).
До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.
По данным института имени в нашей стране есть все условия чтобы в течении 10…15 лет машиностроение могло перейти на выпуск алюминиево-титановой подвижной техники, которая отличается легкостью, коррозионной стойкостью и большим безремонтным ресурсом.
Важное значение имеет устранение отставания нашей страны в области использования новых материалов взамен традиционных (металлических) – пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий.
Расчетами установлено, что замена ряда металлических деталей легкового автомобиля на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, позволит уменьшить массу машины на 40%; она станет более прочной; уменьшится расход топлива, резко возрастет стойкость против коррозии.
Строение и свойства материалов.
1. Металлы и неметаллы. Особенности атомно-кристаллического строения металлов.
2. Понятие об изотропии и анизотропии. Особенности металлов, как тел имеющих кристаллическое строение.
3. Дефекты кристаллического строения:
Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.
в. Поверхностные несовершенства.
4.Методы исследования структуры металлов и сплавов:
а. Макроскопический анализ.
б. Микроскопический анализ.
в. Рентгеноструктурный анализ и рентгеновская дефектоскопия.
Металлы и неметаллы. Особенности атомно-кристаллического строения
Все твёрдые тела делятся на а м о р ф н ы е и к р и с т а л л и ч е с к и е.
В кристаллических телах атомы расположены в строго определённой последовательности. К телам с кристаллическим строением относят поваренную соль, кварц, сахарный песок, металлы и сплавы.
В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.
Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.
Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств:
· «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объёму металла, т. е. принадлежать целой совокупности атомов.
Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.
Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:
· размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными.
· углы между осями (
).
· координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.
· базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.
· плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)
Рис.1.1. Схема кристаллической решетки
Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;
· примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
· базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
· объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
· гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней
Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная
Основными типами кристаллических решёток являются:
2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, 
)
3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
o простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
o плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
Понятие об изотропии и анизотропии. Особенности металлов, как тел имеющих кристаллическое строение.
Из изложенного выше уясним, что характерные признаки металлов обусловлены их внутренним строением, т. е. структурой. Геометрическая правильность расположения атомов в кристаллических решётках придаёт металлам особенности, которых нет у аморфных тел.
1.Первой особенностью металлов является анизотропия свойств кристаллов, т. е. различие свойств кристаллов в разных направлениях.
Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.
В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией
Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.
Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.
Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.
Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X, Y, Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки.
Рис.1.3. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей (а) и кристаллографических направлений (б)
Для определения индексов кристаллографической кристаллографической плоскости необходимо:
· установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки;
· взять обратные значения этих величин;
· привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел.
Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей на рис. 1.3 а.
Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости, параллельные оси, имеют по ней индекс 0 (110)
Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо:
· одну точку направления совместить с началом координат;
· установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки
· привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целыж чисел.
Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобках [111]
В кубической решетке индексы направления, перпендикулярного плоскости (hkl) имеют те же индексы [hkl].
2.Второй особенностью металлов как тел кристаллического строения является наличие у них плоскостей скольжения (спайности).
По этим плоскостям происходит сдвиг или отрыв (разрушение) частиц кристаллов под действием внешних усилий. У аморфных тел смещение частиц происходит не по определённым плоскостям, а беспорядочно. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную, искривлённую форму.
3.Третьей особенностью металлов как тел кристаллического строения является то, что процесс перехода их из твёрдого состояния в жидкое и наоборот происходит при определённой температуре, называемой температурой плавления (затвердевания). Аморфные тела переходят в жидкое состояние постепенно и не имеют определённой температуры плавления.
Дефекты кристаллического строения.
Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.
Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается
В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:
· точечные – малые во всех трех измерениях;
· линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;
· поверхностные – малые в одном измерении.
Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей. (рис. 2.1.)
Рис.2.1. Точечные дефекты
Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д. ), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.
Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.
Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.
Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.
Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла.
Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.
Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.
Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 2.2)
Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)
Неполная плоскость называется экстраплоскостью.
Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.
Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 2.3).
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная (
), если в нижней, то – отрицательная (
). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.
Рис. 2.3. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации
Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация
Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 2.4) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.
Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.
Рис. 2.4. Механизм образования винтовой дислокации
Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.
В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.
Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.
Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.
Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м3
(см-2; м-2)
Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 105…107 м-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 1015…10 16 м –2.
Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 2.5)
Рис. 2.5. Влияние плотности дислокаций на прочность
Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций 