ДИСЦИПЛИНА: «МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ»

ЛЕКЦИЯ 1

ВВЕДЕНИЕ

Металловедение – прикладная наука, изучающая взаимосвязи между составом, строением и свойствами металлов и сплавов в различных условиях.

Изучение этой дисциплины позволяет осуществить правильный и рациональный выбор материалов для конкретных условий работы той или иной детали, изделия или конструкции в целом.

Металлы и их сплавы повсеместно используются для конструкций машин, оборудования, инструмента и т.д. В последнее время в промышленности стали использоваться искусственно созданные материалы такие как керамика, пластмассы, синтетические волокна, каучуки, композиционные материалы. Однако, металлы и металлические материалы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

Синтетические материалы в мировом производстве заменили всего лишь около 6% металлов. И это не случайно. Свойства, которыми обладают металлы и их сплавы, не присущи никакому другому материалу.

Металлы характеризуются прочностью, твердостью, пластичностью, устойчивостью против воздействия температур, агрессивных сред, обладают высокой электро- и теплопроводностью и многими другими ценными свойствами. Кроме того, металлические материалы хорошо обрабатываются, режутся, могут свариваться.

Чистые металлы составляют основу огромного количества сплавов. Изменяя химический состав, вводя в него небольшие добавки тех или иных химических элементов, можно получать сплавы почти с любыми заранее заданными свойствами.

Таким образом, задача металловедения – правильный выбор металлического материала для изготовления деталей, изделий, работающих в конкретных, заданных условиях ( возможное воздействие внешних нагрузок, влияние температуры, агрессивных сред, радиации и т.д.) и обеспечение надежности и длительной работоспособности этих изделий.

Металлические материалы обычно делятся на две большие группы:

-- сплавы на основе железа (сталь и чугун), которые называются черными металлами;

-- сплавы на основе остальных металлов (алюминий, магний, титан, медь, молибден, ниобий и другие), которые называют цветными металлами.

Наибольшее распространение в промышленности получили сплавы на основе железа. Эти универсальные конструкционные материалы не только обладают высокими свойствами, но имеют относительно небольшую стоимость.

АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Общее свойство металлов и сплавов - их кристаллическое строение, характеризующееся закономерным расположением атомов в пространстве.

Атомно-кристаллическое строение (АКС) - это строго определенное закономерное расположение атомов в пространстве.

Для количественного описания и оценки АКС вводится понятие кристаллической решетки - воображаемой пространственной сетки, в узлах которой находятся атомы. Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением одной элементарной ячейки, повторяющейся во всех трех измерениях.

Элементарная ячейка - наименьший объем, трансляцией которого можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис.1.1).

Рис.1.1

В кристалле атомы сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение АКС и кристаллических решеток принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки (рис.1.2).

Рис.1.2

Расстояния между центрами ближайших атомов (a, b, c ) называются параметрами (периодами) решетки.

Величина периодов в металлах порядка 0,1…7 нм. Размеры элементарных ячеек 0,2…0,3 нм.

Для кубической кристаллической решетки а = b = с.

Координационное число — количество атомов, находящихся на одинаковом и наименьшем расстоянии от данного.

Период решетки характеризует ее размеры, координационное число - характеризует плотность упаковки элементарной ячейки.

Углы между гранями кристаллической решетки (α, β, γ) характеризуют тип кристаллической решетки.

Для кубической решетки α=β=γ= 90^о.

Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.

Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.

Типы кристаллических решеток.

Существует 14 типов кристаллических решеток (решетки Бравэ). Рассмотрим 3 из них, которые наиболее часто встречаются у основной группы металлов и наиболее распространены в природе:

1. Объемоцентрированная кубическая решетка (ОЦК).

Рис.1.3

В кристаллической решетке ОЦК (рис.1.3) атомы расположены в вершинах элементарной ячейки и в центре куба. Такая ячейка содержит 9 атомов.

Кубическую объемоцентрированную решетку имеют хром, вольфрам, железо, ванадий, молибден и другие металлы.

2. Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК)

Рис.1.4

В ячейке кубической гранецентрированной решетки (рис.1.4) атомы находятся в вершинах куба и на пересечении диагоналей каждой плоскости. Такая ячейка имеет 14 атомов.

Решетку ГЦК имеют свинец, никель, медь, железо, серебро и другие металлы.

З. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ).

Рис.1.5

В гексагональной плотноупакованной решетке (рис.1.5) атомы расположены в вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы. Ячейка ГПУ решетки содержит 17 атомов.

Гексагональную кристаллическую решетку имеют магний, кадмий, цинк и другие металлы.

Некоторые металлы могут изменять тип кристаллической решетки при изменении температуры (при нагреве, либо охлаждении). Такие металлы называются полиморфными.

Явление полиморфизма – изменение типа кристаллической решетки при изменении температуры.

Реальное строение металлов и сплавов

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Таких кристаллов в природе практически не существует. Их можно создать только в лабораторных условиях (их называют металлические усы, т.к. их толщина соответствует нескольким межатомным расстояниям).

В реальных кристаллах всегда присутствуют дефекты кристаллического строения, которые нарушают периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материалов.

Различают два вида дефектов кристаллического строения: точечные и линейные.

Точечные дефекты характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров.

К точечным дефектам относятся :

-- вакансии ( свободные места в узлах кристаллической решетки (рис.1.6);

-- атомы внедрения и замещения (примесные атомы, которые могут находиться и в узлах решетки, и в междоузлии, рис.1.7 а, б)

Рис.1.6. Вакансии

Атомы совершают колебательные движения возле узлов решетки. Под воздействием внешних воздействий (например, температуры) отдельные атомы приобретают энергию, значительно большую, чем средняя энергия соседних атомов в решетке. Эти атомы могут перемещаться из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находились такие атомы, называется вакансией (рис.1.6). На это место перемещается один из соседних атомов и т.д. Таким образом, вакансия перемещается вглубь кристалла.

При комнатной температуре концентрация вакансий сравнительно невелика и составляет около 1 на 10¹⁸ атомов, но количество вакансий в кристаллической решетке резко возрастает при нагреве и может достигать огромных величин. Так, например, в решетке некоторых металлов в 1 см³ количество вакансий может достигать 10¹³.

К точечным дефектам относят также атомы, внедренные в междоузлие кристаллической решетки (рис.1.7 а) и замещенные атомы, когда место атома основного металла замещается в кристаллической решетке атомом другого элемента (рис.1.7 б).

Рис. 1.7. Примесные атомы внедрения (а) и замещения (б).

Точечные дефекты приводят к локальным искажениям в кристаллической решетке и локальным изменениям межатомных связей. С увеличением количества точечных дефектов может возрастать сопротивление кристаллической решетки дальнейшему смещению атомов.

С другой стороны, присутствие вакансий в решетке объясняет возможность такого физического процесса, как диффузия.