Раздел 5. Теоретическое материаловедение

Материаловедение – наука о материалах, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлических и неметаллических материалов, закономерности их изменения при механическом, тепловом и других видах химических воздействий. Она создает научную основу получения разнообразных по составу материалов с заданными свойствами. Как всякая наука, материаловедение представляет собой совокупность знаний, полученных расчетным и экспериментальным путем и в своей основе базируется на соответствующих разделах физики, химии и математики. Основное внимание в материаловедении уделяется металлическим материалам, т.к. сегодня металлы и их сплавы являются самым обширным и универсальным по применению классом материалов. Центральное место среди них занимают две группы сплавов железа с углеродом – стали и чугуны.

В тоже время, в последние годы значительное внимание уделяется разработке неметаллических композиционных материалов, где достигнут несомненный успех и что является одним из важнейших направлений развития современного материаловедения.

5.1. Строение и свойства чистых металлов

Прежде чем начать изучать эту главу, необходимо понять, что в природе существует две разновидности твердых тел, различающихся по своим свойствам – кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела остаются твердыми до вполне определенной температуры при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Так, у чистых металлов, переход из одного состояния в другое протекает при ограниченной, всегда постоянной температуре плавления.

Аморфные тела при нагревании размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении, но часто с изменением свойств самого материала.

Уясните для себя, что кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное и это обусловлено упорядоченным, геометрически правильным расположением в пространстве частиц, из которых они состоят (ионов, атомов, молекул).

5.1.1. Формирование структуры металлов при кристаллизации

Движущей силой процесса кристаллизации является разница свободных энергий жидкой и твердой фаз, возникающая при переохлаждении расплава ниже равновесной температуры кристаллизации. Конечная структура затвердевшего сплава определяется условиями кристаллизации, а именно: степенью переохлаждения, скоростью охлаждения, присутствием нерастворимых, тугоплавких частиц, являющихся дополнительными центрами кристаллизации. Каждое зерно, образующееся в результате кристаллизации, представляет собой дендритный кристалл, химический состав которого изменяется от центра к периферии.

Зарисуйте и разберите строение металлического слитка в зависимости от условий кристаллизации.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое равновесная температура кристаллизации?

2. Какова физическая природа кристаллизации? Какие виды кристаллизации вы знаете?

3. Чем определяется конечная структура сплава при кристаллизации?

4. Что такое дендрит?

5. Что такое ликвация?

6. Что такое модификация?