Конспект лекций по курсу

«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ»

Лекция 1. Пр. Занятие 1.

1. Материаловедение. Виды материалов. Основные свойства материалов. Классификация металлов. Черные и цветные металлы. Кристаллические решетки металлов. Параметры решеток. Полиморфизм.

Материаловедение и технология материалов – самостоятельный курс, который изучает строение и свойства различных материалов и технологии, которые используются для получения изделий из них.

Здание со всеми коммуникациями – используются материалы… Мобильные телефоны – используются материалы…

Технология – способ получения материала или изделия из какого-либо материала. Ноу – Хау.

Все материалы подразделяются на различные группы в зависимости от способа классификации. С точки зрения физики они делятся на: проводники (как правило, металлы), диэлектрики и полупроводники.

По строению – кристаллические и аморфные.

Все свойства материалов определяются их строением. В физике для описания свойств материалов используются зонные диаграммы, в которых рассматриваются ВЗ, ЗЗ и ЗП.

Проводники. Это, как правило, металлы. Атомы их имеют небольшое количество валентных электронов, расположенных на внешних орбитах атомов. Эти электроны слабо связаны с ядром и образуют так называемый электронный газ. Положительно заряженные ионы металла, взаимодействуя между собой и свободными электронами, образуют кристаллическую решетку. Такой тип связи ионов между собой и электронным газом называется металлической связью. Отсутствует запрещенная зона (ЗЗ). (Валентная зона переходит в зону проводимости). В основном будем изучать металлы. Их удельное сопротивление составляет ρ=10^-4-10^-6Ом*см.

Диэлектрики. Электроны в диэлектриках имеют сильную связь с ядром атомов. Атомы элементов в кристаллической решетке диэлектриков, как правило, имеют ионную связь друг с другом. (NaCl). Это различные соли и окислы. Широкая запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости. ЗЗ измеряется в ЭВ. ρ=10¹²-10¹⁵Ом*см. Пластмассы. Органические вещества. Характеризуются очень высоким электросопротивлением.

Полупроводники (п/п). Промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Характеризуются наличием не очень широкой ЗЗ. Достаточной для того, чтобы электрон, под действием тепла или света, перескочил в зону проводимости. Полупроводники - очень чистые материалы. На 10⁹ (миллиард) атомов п/п должно быть не более 1 атома примеси). Сопротивление падает с ростом температуры, т.к. электроны преодолевают ЗЗ, перепрыгивая из валентной зоны в зону проводимости. Их удельное сопротивление составляет ρ=10^-1-10⁴ Ом*см.

Металлами называют вещества, которые имеют высокую тепло- и электропроводимость, пластичность и характерный металлический блеск. Металлы имеют положительный коэффициент электросопротивления (возрастает с ростом тем-ры). Занимают левую часть таблицы Менделеева. Металлы подразделяются на черные и цветные.

Черные металлы – чаще всего считают, что это железо и сплавы на его основе. Как правило, они темно-серого цвета, большой плотности, имеют высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях полиморфные. Стали и чугуны. Цветные металлы - красного, желтого, белого цвета. Как правило, имеют высокую пластичность.

Большинство металлов и их сплавов объединяются в следующие группы:

- легкоплавкие – (Zn, Cd, Pb, Sn, Hg…) – имеют температуру плавления ниже 700^оС. (Какой металл имеет минимальную температуру плавления?); - тугоплавкие - температура плавления выше, чем у железа (1539^оС) – W, Mo, Nb, Ta; - легкие – (Be, Mg, Al, Тi) – их удельный вес меньше 5 г/см³; - благородные – (Au, Ag, Be, Pt, Pd) – химически инертные; - урановые - U, Pu. Радиоактивные элементы; - редкоземельные металлы – лантаноиды – это подобные по своим свойствам элементы, которые занимают в таблице Менделеева порядковые номера от 58 до 71.

Все металлы - кристаллические вещества, в пространстве их атомы расположены в четко определенном порядке. Расположенные рядом элементарные кристаллические ячейки. Кристаллические решетки изображают в виде элементарной кристаллической ячейки – это наименьший комплект атомов, который при многоразовом повторении воссоздает кристаллическую решетку. Основные типы кристаллических решеток: 1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК, К8) - W, Fe-, Mo, Nb; 2. Гране - центрированная кубическая (ГЦК, К12) - Fe-, Au, Ag, Cu, Pb, Al; 3. Гексагональная плотно упакованная (ГПУ, Г12) - Ti- , Co, Zr; (Шестигранник). 4. Тетрагональная – In, Mn, Sn. (Параллилепипед).

Основной параметр решетки: Расстояние между центрами двух атомов в кристаллической решетке. (Кубические решетки а – от 3 до 7Å, в других решетках а -2,3 до 4 Å, в – от 3,6 до 6,5Å).

(Шкала расстояний – метр, миллиметр, микрометр, нанометр, ангстрем).

Все вещества подразделяются на: кристаллические, аморфные, полиморфные. (Чем отличаются? Анализ зависимости охлаждения расплавленного вещества). Полиморфизм - изменение типа кристаллической решетки при изменении внешних условий (в частности температуры). Железо (Fe) - ОЦК→ГЦК→ ОЦК. Имеет большое практическое значение. Именно полиморфизм железа позволяет проведение термической обработки железо-углеродных сплавов.

Анизотропия – неоднородность свойств кристаллов (механических, физических, химических) в разных кристаллографических направлениях. В изделиях может быть результатом обработки. Алмазы – бриллианты. Обработка алмазов. Самый твердый материал – чем обработать?

Кристаллизация металлов. Механизм кристаллизации. Закалка жидкого состояния. Кристаллизация металлов - переход металла из жидкого состояния в твердый с образованием кристаллов. Два процесса кристаллизации: 1 - образование центров кристаллизации (атомы примесей). 2- рост кристаллов в этих центрах. Кристаллизация происходит потому, что в новых условиях кристаллическое состояние металла имеет меньшую энергию, чем жидкость. Медленное охлаждение – большие кристаллы (кристаллиты, зерна). Чем быстрее охлаждение, тем быстрее происходит кристаллизация и тем мельче структура металла. Большое кол-во центров кристаллизации - мельче структура металла. Лучше механические свойства.

При очень больших скоростях охлаждения возможное полное переохлаждение металлов. Движение атомов металла настолько замедляется, что их хаотичное размещение не может перестроиться в кристаллическую решетку. Такой металл будет аморфным, а процесс - закалкой жидкого состояния. Выводы: 1. Пока кристалл окружен жидкостью он имеет правильную форму, при росте кристаллов его форма меняется и образуются зерна - кристаллиты. 2. С образованием кристаллитов диффузия (свобода движения атомов) уменьшается и процесс кристаллизации замедляется. 3. Для получения мелкозернистой структуры металла степень переохлаждения должна увеличиваться и необходимо увеличивать кол-во центров кристаллизации (спец. Примеси). И наоборот. 4. Для получения больших монокристаллов – очень медленное и направленное охлаждение.

Строение реальных кристаллов. Виды дефектов. Кривая Одинга. Методы изучения строения металлов и сплавов. Макро и микроанализ.

Зерна (кристаллиты) - кристаллы неправильной формы. Поверхности раздела зерен - границы зерен. Зерна произвольно ориентированы в пространстве, поэтому металл является поликристаллом. Виды дефектов в кристаллах: 1. Точечные дефекты - отсутствие атома в решетке или лишние атомы в междоузлиях. 2. Линейные – дислокации, т.е. лишние плоскости в кристалле.

3. Поверхностные: границы зерен. Наиболее прочный металл с мелкозернистой структурой; 4. Объемные - раковины, трещины, газовые пузырьки.

Именно наличием дефектов объясняется несоответствие между теоретическими расчетами прочности и фактической прочностью. Для железа - кривая Одинга:

Здесь: 1 - прочность усов, 2 - прочность чистого металла, 3 - укрепленный металл.

Итак, прочность можно увеличить путем увеличения дефектов структуры (легирование, наклеп, термомеханическая, термическая или другие виды обработки) или уменьшением количества дефектов этой структуры (идеальное бездефектное строение). Усы металлов (длина макс. 10мм, диаметр – 0,5-2,5мкм). Изучение свойств и строения металлов осуществляется методами: Макроанализ - изучение структуры металла невооруженным глазом, с помощью лупы или микроскопа с небольшим увеличением. Проводится на изломах и микрошлифах. Делается с целью определения числа, размеров, формы и расположения зерен.

Химический анализ – определение хим. состава сплава с помощью количественных химических реакций. Используется при выплавке стали на небольших образцах. Спектральный анализ - физический способ. Заключается в возбуждении атомов элементов каким либо способом (например, рентгеновским излучением) и анализируется спонтанное излучение атомов.

Существует качественный и количественный спектральный анализ. Высокая точность и оперативность. Может проводиться непосредственно на деталях. Рентгеноструктурный анализ – основан на дифракции рентгеновских лучей и определяет параметры кристаллической решетки. Микроанализ - изучение структуры металла методом световой микроскопии – увеличение до 1800 раз. Электронным микроскопом – увеличение свыше 100000 раз (т.е. разрешение менее 50Å). Проводится на специально подготовленных образцах.

Физические методы исследования металлов и сплавов:

Термический метод – исследование структуры при нагреве и охлаждении.

Электрический и магнитный методы – изменение соответствующих характеристик.