Глава VI. Конструкционные материалы.

6.1. Строение конструкционных материалов.

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам.

Конструкционными материалами могут быть металлы и их сплавы (стали),композиты (керамика), оксиды и их сплавы (стекло), дерево, полимеры и др. Они характеризуются прочностью, износостойкостью, долговечностью, надёжностью. Для работы в особых условиях выпускаются материалы со специальными свойствами: коррозионностойкие, износостойкие, жаропрочные.

Кристаллическое строение металлов.

Свойства металлов определяются их кристаллическим строением, которое характеризуется упорядоченным расположением в пространстве. Каждый атом имеет одно и то же число ближайших атомов-соседей. Если соединить атомы воображаемыми линиями в трёх взаимно-перпендикулярных направлениях , то получится пространственная кристаллическая решётка.

Находясь в узлах кристаллической решётки атомы совершают колебания относительно своего среднего положения. Со своими ближайшими соседями атомы связаны при помощи валентных электронов, которые называются коллективизированными. Они могут свободно перемещаться, образуя электронный газ. Между положительно заряженными ионами и окружающими их валентными электронами возникают силы электростатического притяжения. Такое притяжение характеризует металлический тип связи

Благодаря наличию электронного газа, металлы обладают высокими электро– и теплопроводностью.

Металлы имеют кристаллические решётки разных типов: объёмно-центрированная кубическая, гранецентрированная кубическая и гексогональная плотноупакованная и др.

Объёмно-центрированная кубическая (ОЦК) решётка состоит из девяти атомов (рис.6.1).

Рис.6.1. Объёмно-центрированная кубическая решётка

Расстояние а между двумя атомами, расположенными вдоль одного ребра, называется параметром решётки. Значение этого параметра для различных металлов от 0,2 до 0,7 нм (1нм = 10^-9м). ОЦК решётку имеет железо, ванадий, вольфрам, молибден, хром и другие металлы.

Способность металла изменять тип кристаллической решётки называется полиморфизмом. Некоторые свойства кристалла зависят от различной плотности расположения атомов в различных кристаллографических направлениях

Эта зависимость называется анизотропией. Если эта зависимость отсутствует, то такие материалы называются изотропными. Обычно амфорные тела изотропны.

Дефекты кристаллического строения металлов.

В реальных условиях кристаллы имеют большое число дефектов, которые оказывают существенно влияние на свойства металлов и сплавов. Дефекты подразделяют на: точечные, линейные, поверхностные и объёмные.

Рис.6.2. . Точечные дефекты в кристаллической решётке.

К точечным дефектам относятся вакансии, представляющие собой свободные места в узлах кристаллической решётки (рис.6.2а). Дислоцированные атомы находятся в междоузлии (рис.6.2б).

Примесные атомы занимают в кристаллической решётке места основных атомов.

Рис.6.3. Схема винтовой дислокации в кристаллической решетке.

К линейным дефектам относятся дислокации  особый вид смещений отдельных участков кристалла (рис.6.3).

Винтовая дислокация формируется под действием сил сдвига. Одна часть кристалла смещается относительно соседней.

Плоские дефекты обычно проявляются на границах зерён, где кристаллическая решётка не достроена, в виде зеркально-отражённой плоскости из дислоцированных атомов.

К объёмным дефектам относятся поры и микротрещины.