1 Классификация и строение материалов
1.1 Классификация материалов
Назначение материала определяется требованиями конструкции (конструкционные критерии – прочность, долговечность, коррозионные свойства и т.п.) и возможностью переработки в изделие (технологические критерии – коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.). Выбор материала с использованием классификации осуществляется по двум основным критериям. В общем случае классификация материалов включает в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы и композиционные материалы. По геометрическим признакам материалы и вещества принято классифицировать по виду полуфабрикатов: листы, профили, гранулы, порошки, волокна и т.п. Поскольку материал того или иного полуфабриката изготавливается по разной технологии, применяют разделение по структуре.
Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве превосходящим стали. К материалам цветной металлургии принадлежат важнейшие цветные металлы – алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционными являются материалы (сложные или составные) состоящие из двух разнородных материалов (например, стекла и пластмассы – стеклопластики). Их принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.
Технические материалы принято классифицировать по назначению: материалы приборостроения, машиностроительные материалы и более подробно, например, стали для судостроения или мостостроения. В научном аспекте материалы разделяют по типу структуры: аморфные, кристаллические и гетерофазные. При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения. Стоимость технического материала связана с затратами на его производство и уровнем запасов его в промышленном и государственном резервах, с содержанием в Земной коре веществ и элементов, необходимых для его производства. Поэтому так важно знание инженера о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в классификации машиностроительных материалов применяют параметры удельной прочности и энергозатрат производства материалов. Классификация известных материалов находи свое отражение в Государственных стандартах (ГОСТ). Более подробно классификация материалов будет изложена ниже в разделах лекционного курса.
1.2 Металлы и неметаллы. Особенности атомно-кристаллического строения
Все твёрдые тела делятся на аморфные и кристаллические.
В аморфных телах атомы расположены хаотично, т. е. в беспорядке, без всякой системы. Примерами аморфных тел могут служить стекло, клей, воск, канифоль.
В кристаллических телах атомы расположены в строго определённой последовательности. К телам с кристаллическим строением относят поваренную соль, кварц, сахарный песок, металлы и сплавы.
В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.
Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.
Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.
Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств:
хорошей отражательной способностью: металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском;
положительным температурным коэффициентом электросопротивления; с повышением температуры электросопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладает
повышенная способность к пластической деформации;
термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью испускать электроны при нагреве;
высокая теплопроводность;
высокая электропроводность.
Наличие этих свойств и характеризует так называемое металлическое состояние вещества. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, 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 объёму металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.
Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка (рис. 1.1). Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.
Другими словами, кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. Она представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело).
Элементарная кристаллическая ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:
размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными.
углы
между осями (
).
координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.
базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.
плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют, как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)
Рисунок 1.1 - Схема кристаллической решетки
Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;
примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней.
Рисунок 1.2 - Основные типы кристаллических решеток:
а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная
Основными типами кристаллических решёток являются:
Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti,).
Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au,).
Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
Плотность кристаллической решетки, т.е. объем, занятый атомами, которые условно можно рассматривать как жесткие шары, характеризуется координационным числом, под которым понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов.