5 Література
1 Бородулин В.Н., Воробьев А.С., Попов С. Я. и др. Конструкционные и электротехнические материалы: Підручник - М. «Высшая школа» 1990
2 Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы: Підручник - Ленинград «Энергоатомиздат», 1985
3 Пахолюк А.П., Пахолюк О.А. Основи матеріалознавства і конструкційні матеріали: Посібник. – Львів: Світ, 2005
4 Атамалюк В.В. Технологія конструкційних матеріалів: Навчальний посібник для ВНЗ – Київ: Кондор, 2006
5 Попович В.В., Попович В.В. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство: Підручник – Львів: Світ, 2006
6 Чумак М.Г. Матеріали та технологія машинобудування: Підручник. К.: Либідь, 2000
7 Кузьмін О.А., Яцюк Р.А. Металознавство та термічна обробка металів. Підручник. – Львів: Афіша, 2002
до змісту
Тема 1 Конструкційні матеріали
Анотація. Матеріал теми розкриває будову, класифікацію та характеристики металів і неметалевих конструкційних матеріалів.
Питання теми
1.1 Будова металів та металевих сплавів.
1.2 Характеристика і класифікація вуглецевих та легованих сталей.
1.3 Кольорові метали. Сплави на основі міді, алюмінію та благородних металів.
1.4 Неметалеві конструкційні матеріали.
1.1 Будова металів та металевих сплавів
Усі метали у твердому стані мають кристалічну будову, їхні атоми розташовуються в просторі з визначеною закономірністю, створюючи кристалічну решітку (гратку).
Кристалічні гратки металів
Найбільш характерними для металів є три типи граток (рисунок 1.1):
об'ємна центрована кубічна (о.ц.к.),
гранецентрована кубічна (г.ц.к.)
гексагональна щільно упакована (г.щ.у.).
У системі о.ц.к. кристалізуються, наприклад, Cr, Mo, W, V; у системі г.ц.к. - Ni, А1, Сu, Рb; у системі г.щ.у. - Be, Cd, Zn, Mg і ін.
Поліморфізм металів
У деяких металів при нагріванні відбуваються зміни в будові кристалічної гратки. Існування того самого металу в різних кристалічних формах (модифікаціях) називається поліморфізмом, а перехід з однієї модифікації в другу - поліморфним перетворенням.
Окремі модифікації металів позначають літерами грецького алфавіту: a, b, g, d і т.д. Наприклад, залізо при кімнатній температурі володіє о.ц.к. решіткою; цю модифікацію називають a-залізом. При нагріванні до 768 °С a-залізо втрачає магнітні властивості, кристалічні гратки при цьому не змінюються. При 911°С о.ц.к. решітка в залізі перетворюється в г.ц.к.; залізо з такими гратками називають g-залізом. При 1392°С g- залізо перетворюється в d- залізо з о.ц.к. гратками, що існують до температури плавлення 1539 °С.
Рисунок 1.1- Кристалічні гратки металів
При поліморфних перетвореннях поряд із зміною будови кристалічної гратки у значній мірі змінюються і властивості металів (об'єм, пластичність, твердість і т.п.). Тому наявність поліморфних перетворень багато в чому визначає поведінка і властивості металу при механічній і термічній обробці, легуванні, при роботі в умовах низьких і високих температур.
Анізотропія металів
Як видно з рисунку 1.1, у різних площинах кристалічної гратки число атомів і відстані між ними неоднакові. У зв'язку з цим властивості окремих кристалів (монокристалів) у різних напрямках виявляються неоднаковими. Таке явище називається анізотропією.
Реальні метали – тіла полікристалічні, тобто складаються із великого числа по-різному орієнтованих у просторі кристалів (зерен). Тому властивості таких металів у різних напрямках стають усередненими, однаковими. Однак у випадках, коли обробка металів сприяє переважному кристалографічному орієнтуванню окремих зерен (при прокатці, куванні), полікристалічні метали також стають анізотропними. Так, наприклад, міцність зразків, вирізаних із листа уздовж напрямку прокатки, більше міцності зразків, вирізаних поперек прокатки.
Дефекти кристалічної будови
Описана вище кристалічна побудова металів, коли в кожному вузлі гратки знаходиться атом, є ідеальною.
У дійсності в гратках є багато дефектів: точкових, лінійних, поверхневих.
До точкових дефектів відносяться вакансії – вільні вузли 1 (рисунок 1.2) у кристалічних гратках, зміщені атоми 2, атоми домішок 3.
Рисунок 1.2 - Дефекти кристалічної будови
Основні види лінійних дефектів - дислокації. На рисунку 1.2 показана крайова дислокація 4, що представляє собою край «зайвої» кристалографічної напівплощини. При іншому характері зміщення атомів може утворитися більш складна дислокація – гвинтова.
Поверхневі дефекти, як правило, утворюються по границях зерен, на вільних поверхнях.
Дислокації грають велику роль у пластичній деформації металів, полегшуючи або ускладнюючи її, тобто сприяють знеміцненню або зміцненню металу. Точкові дефекти виявляються більше в дифузійних процесах, які зв'язані із переміщенням атомів.
Кристалізація металів
Кристалізацією називається процес переходу металів із рідкого стану у твердий, коли в металі формуються кристалічні гратки.
У 1878 р. російський вчений металург Д. К. Чернов установив, що затвердіння металів починається з утворення центрів (зародків) кристалізації. Від них зростають первинні (головні) осі майбутніх кристалів, потім перпендикулярно до них – осі вищих порядків. Такі первинні кристали, що нагадують зовнішнім виглядом дерево, одержали назву дендритів (від гр. дендрон - дерево). Подальший ріст дендритів і формування кристалів відбуваються за рахунок рідкого металу, що заповнює міжосьовий простір. При рості кристали у визначений момент зштовхуються, перешкоджають росту один одного в різних напрямках, у результаті чого набувають випадкової зовнішньої форми. Такі кристали називають зернами. Розмір і кількість зерен до кінця кристалізації залежать від швидкості зародження (кількості центрів) і росту кристалів, що, у свою чергу, визначаються швидкістю охолодження металу, що твердіє. З підвищенням швидкості охолодження число зародків збільшується в більшому ступені, чим швидкість їхнього росту, тому розмір зерен у металі зменшується.
Загальні відомості про побудову сплавів
Металевими сплавами називають складні з’єднання (суміші) на основі металів, що зберігають високу електро- і теплопровідність, ковкість і інші властивості. Сплави можуть складатися з декількох металів або металів і неметалів. У техніці метали і їхні сплави звичайно відносять до однієї групи матеріалів – до металів.
У рідкому стані більшість сплавів однорідні й у фізико-хімічному розумінні представляють одну фазу. Після затвердіння в сплаві може утворитися декілька фаз. Кількість фаз і їх природа визначаються характером взаємодії компонентів сплаву при затвердінні.
Якщо компоненти сплаву розчиняються один в іншому, то утворюються так звані тверді розчини. При цьому атоми розчиненого компонента або заміщають атоми розчинника в його кристалічних гратках, або впроваджуються в них. Такі сплави є однофазними і складаються із зерен твердого розчину з кристалічними гратками компонента-розчинника. У випадку обмеженої розчинності компонентів утвориться двофазний сплав, у якому другою фазою може бути чистий компонент або його хімічне (металеве) з'єднання з іншим компонентом.
Якщо при затвердінні компоненти сплаву не взаємодіють між собою, то утворюється механічна суміш зерен кожного з компонентів. Механічна суміш сплаву може складатися з двох і більшого числа фаз. При цьому кожна з фаз зберігає свій тип кристалічної гратки.
Ряд компонентів при затвердінні можуть вступати в хімічну взаємодію й утворювати хімічні сполуки як металів із неметалами (наприклад, карбід заліза Fe3C), так і металів із металами (наприклад, CuAl2 ); останні зазвичай називають металевими з'єднаннями.
Таким чином, фазами в сплавах можуть бути: чисті компоненти, тверді розчини або хімічні (металеві) з'єднання. Комбінації цих фаз утворюють структурні складових сплавів, що характеризуються однорідною будовою.
Для більш повного та детального розуміння цього питання прочитайте матеріали 3 (стр.5-25), 4 (стр.90-95), 5 (стр.66-80), 6 (стр.6-22), 7 (стр.38-44) література.