Экзаменационные вопросы по курсу «Металловедение»

1. Введение. Роль материалов в современной технике. Металловедение как наука о свойствах металлов и сплавов в связи с их составом и структурой. Атомнокристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток и их характеристики. Полиморфизм. Строение идеальных и реальных кристаллов. Дефекты кристаллического строения. Диаграмма Бочвара-Одинга.

ОТВЕТ:

Металл – суть тела светлые, которые ковать можно (Ломоносов).

Металловедение – наука, изучающая строение и свойства металлов и их сплавов (под сплавами понимают вещества, состоящие из нескольких металлов, часто с примесями неметаллов, и получаемые обычно сплавлением), устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами и разрабатывающая пути воздействия на их свойства.

Прежде всего, металлы можно разделить на две большие группы – черные и цветные металлы.

Чёрные металлы имеют тёмно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твёрдость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твёрдостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Полиморфизм – явление, при котором ряд металлов (например, железо) в зависимости от температуры и давления может существовать в состояниях с различными кристаллическими решётками.

Чёрные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:

= Железные металлы – железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

= Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (то есть превышает 1539ºС). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

= Урановые металлы – актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.

= Редкоземельные металлы (РЗМ) – Лантан, церий, неодим, празеодим и др., объединяемые под названием лантаноидов, и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими (температура плавления и др.). Их применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и вследствие трудностей разделения на отдельные элементы длля присадки обычно применяют «смешанный сплав», мак называемый мишметалл, содержащий 40-45% Се и 45-50% всех других редкоземельных элементов. К таким смешанным сплавам РЗМ относят ферроцерий (сплав церия и железа с заметными количествами других РЗМ), дидим (сплав неодима и празеодима преимущественно) и др.

= Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев (например, теплоносители в атомных реакторах).

Цветные металлы подразделяются на:

= Лёгкие металлы – бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

= Благородные металлы – серебро, золото, металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). К ним может быть отнесена и «полублагородная» медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

= Легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами – галлий, германий.

Основные свойства металлов:

1. Высокая пластичность.

2. Высокая электро- и теплопроводность.

3. Имеют металлический блеск.

4. Имеют положительный температурный коэффициент сопротивления.

5. Имеют кристаллическое строение.

По строению электронных оболочек металлы принято разделять на нормальные и переходные. У нормальных металлов внутренние электронные оболочки (уровни) полностью заполнены. К таким металлам относят Na, Cu, Mg, Al, Pb и др. У переходных металлов внутренние p и d оболочки недостроены. Наиболее характерные представители переходных металлов Fe, Pd, Pt и им подобные.

Все вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном, переходы между которыми (так называемые фазовые переходы) сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии F (F=U-TS, где U – внутренняя энергия; T – температура; S – энтропия), энтропии, плотности и других физических свойств.

Основные типы кристаллических решёток.

Расположение атомов в последовательности, которая периодически повторяется в трёх измерениях, называется кристаллическим строением.

Наименьшая часть объёма называется кристаллической ячейкой. Кристаллические ячейки характеризуются:

1. Координационным числом – это число атомов, равноудалённых от любого выбранного нами атома.

2. Базис – число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.

а) Простая кубическая.

б) Объёмно центрированная (ОЦК).

в) Гранецентрированный куб (ГЦК).

г) Гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

в) Тетрагональная решётка.

Литой металл имеет дендритное строение. Металл, обработанный давлением имеет волокнистое строение. Все кристаллические тела обладают свойством изотропии. Отдельно взятые тела анизотропны. Аморфные тела изотропны.

Дефекты кристаллического строения:

1. Точечные (имеют малые размеры в трёх направлениях). К ним относятся:

а) вакансии

б) дислоцированный атом

в) примесный атом замещения.

2. Линейные (в двух направлениях – малые, в 1 – значительные).

3. Поверхностные (объёмные).

Благодаря наличию вакансий возможна диффузия и самодиффузия, старение и выделение вторичных фаз.

При нормальных условиях 1 вакансия – 10¹⁸ атомов,

При повышенной температуре 1 вакансия – 10⁴ атомов.

Другой вид несовершенства кристаллической решётки – дислокация. Она характеризуется тем, что в кристаллической решётке появляются лишняя полуплоскость. Этот вид вакансий достаточно распространён в кристаллических структурах металла. Дислокация отличается подвижностью.

Свойство монокристалла – по одному направлению отличается от других.

Различия свойств в зависимости от направления носит название анизотропия, однако, в реальных условиях кристаллы ориентированы хаотично, поэтому свойства металлов в целом одинаковы.