Введение

Материаловедение называют прикладную науку о связи состава, строения и свойств материалов. Решение важнейших технических проблем, связанных с экономией материалов, уменьшением массы машин и приборов, повышением точности, надёжности и работоспособности механизмов и приборов во многом зависит от развития материаловедения.

Задача материаловедения – установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы целенаправленно воздействовать на них при переработке в изделия и эксплуатации, а также для создания материалов с заданными сочетаниями свойств и прогнозирования срока службы материалов.

Условия эксплуатации материалов стали более жёсткими вследствие роста объёма производства, загрязнения и повышения агрессивности окружающей среды. Активное вмешательство человека в природные процессы обусловило внимание науки к защите окружающей среды, выявлению вторичных ресурсов. Решение этой «технически нейтральной» проблемы средствами материаловедения имеет определённую экономическую и общественную направленность.

Изучение физических (плотность, электропроводность, теплопроводность, магнитная проницаемость и др.), механических (прочность, пластичность, твёрдость, модуль упругости и др.), технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием, свариваемость и др.) и эксплуатационных свойств (сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.) позволяет определить области рационального использования различных материалов с учётом экономических требований.

Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские учёные. П.П.Аносов (1799 – 1851гг.) впервые установил, связь между строением стали, и её свойствами. Д.К.Чернов (1839 – 1921 гг.), открывший полиморфизм стали, всемирно признан основоположником научного металловедения. Большое значение в развитии методов физико-химического исследования и классификации сложных фаз в металлических сплавах имели работы Н.С.Курнакова (1860 – 1941 гг.) и его учеников. Разработка теории и технологии термической обработки стали, связана с именем С.С.Штейнберга (1872 -1940 гг.), Н.А.Минкевича (1883 – 1942 гг.). Исследования механизма и кинетики фазовых превращений в металлических сплавах посвящены работы крупных советских учёных С.Т.Конобеевского, А.А.Байкова, Г.В.Курдюмова, В.Д.Садовского, А.А.Бочвара, С.Т.Кишкина, Н.В.Агеева и многих других.

Работы крупнейшего русского химика А.М.Бутлерова (1828 – 1886 гг.), создавшего теорию химического строения органических соединений, создали научную основу для получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С.В.Лебедева впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука.

Среди зарубежных учёных большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов внесли А.Ле-Шателье (Франция), Р.Аустен (Англия), Э.Бейн (США) и др.

Глава 1. Металлические материалы

1. Кристаллическое строение материалов

В природе существуют две разновидности твёрдых тел, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные (рис.1.1).

Рис. 1.1 Кристаллическое строение вещества

При охлаждении аморфных тел нет явной температуры перехода из жидкого состояния в твёрдое, в то время как кристаллические тела имеют конкретную температуру кристаллизации (рис.1.2).

Рис. 1. 2 Кривые охлаждения: 1- аморфных тел; 2 – кристаллических тел

Аморфные тела при нагреве размягчатся в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние.

Кристаллические тела остаются твёрдыми, т.е. сохраняют приданную им форму, до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве элементарных частиц (ионов, атомов, молекул), из которых они составлены – геометрический фактор (рис.1.3)

Рис.1.3 Кристаллические решётки

Свойства кристаллов зависят:

• от электронного строения атомов.

• характера взаимодействия их в кристалле.

• от пространственного расположения элементарных частиц.

• химического состава.

• размера и формы кристаллов.

В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления используют следующие понятия:

• тонкая структура. (х 20000 – 150000)

• микроструктура. (до х1500) рис.1.4, а

• макроструктура. (до х10) рис.1.4, б

а б

Рис.1.4 Микроструктура (а) и макроструктура (б) сплава

Кристаллическая решётка. В кристалле элементарные частицы (ионы, атомы, молекулы), из которых построен кристалл, сближены до соприкосновения и располагаются различно, но закономерно по разным направлениям. Наименьший параллелепипед, в котором в узлах находятся элементарные частицы, называют элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его образует пространственную кристаллическую решётку.

Для описания элементарной ячейки кристаллической решётки используют шесть величин: три отрезка – период решётки a, b, c, три угла между этими отрезками α, β, γ (рис.1.5)

Соотношения между этими величинами определяют форму ячейки. По форме элементарных ячеек все кристаллы подразделяют на семь систем (рис.1.6)

В большинстве случаев решётки сложны, так как элементарные частицы находятся не только в узлах кристаллической решётки, но и на её гранях или в центре решётки (рис.1.7, 1.8, 1.9)

О степени сложности судят по числу частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку. В простой пространственной решётке всегда на одну ячейку приходится одна частица. На ОЦК ячейку – две частицы. На ГЦК ячейку – четыре частицы.

Система, период, число частиц, приходящихся на элементарную ячейку, полностью определяют расположение элементарных частиц в кристалле.

Рис.1.5 Пространственно-кристаллическая решётка