Лекция 1. Вводные сведения – 2 часа

Введение. Вклад ученых в развитие металловедения. Место дисциплины в технологической подготовке студентов МФ МГТУ им. Н. Э. Баумана и взаимосвязь с другими дисциплинами. Основные модули дисциплины. Атомно-кристаллическое строение металлов. Кристаллические и аморфные вещества. Металлическое состояние, основные типы кристаллических решеток металлов. Полиморфизм. Анизотропия свойств металлов. Дефекты кристаллического строения. Диффузионные процессы в металле.

 Введение

Материаловедение - это наука, изучающая химический состав, структуру, свойства материалов и их взаимосвясь.

Материалы делятся на 3 группы:

1. металлы и сплавы на их основе;

2. неметаллические материалы;

3. композиционные материалы.

Основную долю материалов, применяемых в машиностроении, составляют металлические сплавы.

Вклад ученых в развитие металловедения.

Создание научных основ металловедения принадлежит Чернову Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для создания диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

Чернов Д.К. открыл аллотропические превращения в стали и заложил фундамент термической обработки стали.

Он изучил кристаллизацию стали и основы теории литья.

Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей.

Он разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали.

В настоящее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, используют электроны. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полезное максимальное увеличение доведено до 100000 раз.

Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.

Основными направлениями в развитии металловедения являются:

1. разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты

2. создание материалов с заранее рассчитанными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).

3. создание неметаллических материалов (пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии) и композиционных материалов.

4. разработка «умных материалов».

Атомно-кристаллическое строение металлов

Металл состоит из атомов, которые представляют собой положительно заряженные ядра, вокруг которых по орбитам вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико, и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла и называются свободными электронами. Они являются носителями электрических зарядов и представляют собой «электронный газ», определяющий пластичность, теплопроводность и электропроводность металла.

Атомы в металлах расположены упорядоченно и образуют кристалл, т.е. металлы имеют кристаллическое строение.

Металлическое состояние, основные типы кристаллических решеток металлов.

Металлическое состояние характеризуется следующими признаками:

• высокая отражательная способность (металлический блеск);

• высокая пластичность;

• высокая теплопроводность и электропроводность;

• положительный температурный коэффициент линейного расширения.

Из большого числа упорядоченно расположенных атомов всегда можно выделить элементарный объем, который многократно повторяется и образует элементарную ячейку, которую называют кристаллической решеткой (к.р.).

Кристаллическая решетка (элементарная ячейка) – это воображаемая пространственная решетка из минимального числа атомов, которая многократно повторяясь, образует кристалл

Основными параметрами кристаллической решетки являются:

 период решётки – расстояния между центрами ближайших атомов;

 координационное число (К) – число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;

базис решетки – количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

Основные типы кристаллических решеток (рисунок 1): 

1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe_α) (рисунок 1,а)

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК), атомы рассполагаются в вершинах куба и в центре каждой грани (Ag, Au, Fe_γ) (рисунок 1,б)

3. Гексагональная плотноупакованная (ГПУ), в основании которой лежит шестиугольник, в вершинах которого и в центре располагаются атомы и три атома в центре боковых граней через одну ( Zn,Al,Mg) (рис. 1,в).

Рис.1. Основные типы кристаллических решеток:

а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная.

Аморфные вещества

Аморфные вещества – вещества, в которых атомы располагаются хаотично (произвольно).

Эти материалы не имеют определенной температуры плавления, как у металлов. При нагревании плавно переходят в вязко-текучее состояние. Например, силикатное стекло.

В металлических сплавах можно получить аморфную структуру при условии сверхбыстрого охлаждения из жидкого состояния (10⁴…10⁶ °С/с). Такие сплавы обладают очень высокой износостойкостью и отсутствием магнитных потерь при перемагничивании. Достаточно широко применяются в технике. Сплавы называются «металлическими стеклами».

Полиморфизм (аллотропия).

Металлы при изменении внешних условий (давление, температура) могут изменять тип кристаллической решетки. Эту способность металлов назвали полиморфизмом (много форм) или аллотропией. А процесс изменения типа к.р. – полиморфным или аллотропическим превращением.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).

Fe:  – ОЦК -  ;

– ГЦК -  ;

– ОЦК -  ; (высокотемпературное  )

Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Аллотропические формы обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.