ВВЕДЕНИЕ

Увеличение в ХХI веке доли пластмасс, керамики и композитов сопровождается созданием качественно новых видов материалов, значительно превосходящих по свойствам многие металлические. Уменьшение доли металлических материалов сопровождается также качественным их изменением: практически все новые материалы имеют высоко-, сверх- или ультравысокие свойства.

В начале третьего тысячелетия наиболее распространенными среди металлических материалов останутся железные сплавы и прежде всего –стали.

Конец ХХ столетия характеризовался переходом к применению материалов в метастабильном состоянии, увеличился удельный вес обработки поверхности стали, использования в качестве теплового источника концентрированного потока энергии: наибольшее развитие получили вакуумные, ионные, лазерные и другие процессы.

В новом столетии будут продолжать развиваться на хорошем уровне плазменная, высокочастотная, индукционная, электронная термическая обработка.

В области инженерии поверхности интенсивное развитие в начале ХХI века получат комбинированные процессы, которые резко повышают эксплуатационные свойства поверхности. К ним прежде всего нужно отнести сочетание классических диффузионных процессов насыщения поверхности с нанесением на них покрытий толщиной 3-5 мкм методом химического и физического осаждения и паровой фазы.

Задачей курса «Материаловедение» (раздел металлов и сплавов) является возможность дать студентам - машиностроителям сведения о металлах и сплавах, путях улучшения их механических и эксплуатационных свойств.

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МАТЕРИАЛАХ И ИХ СВОЙСТВАХ

   Материаловедение – наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, объективные закономерности зависимости их свойств от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации и разрабатывающая пути управления свойствами (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Положение металловедения в общей структуре наук

Цель – познание свойств материалов в зависимости от состава и обработки, методов их упрочнения для наиболее эффективного использования в технике, а также создание материалов с заранее заданными свойствами: высокая прочность и пластичность, высокая электропроводность или высокое сопротивление, специальные магнитные свойства, сочетание различных свойств в одном материале (композиционные материалы).

Основные задачи материаловедения:

• раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации;

• установить зависимость между составом, строением и свойствами материалов;

• изучить теорию и практику различных способов упрочнения материалов для повышения высокой надёжности и долговечности деталей, инструмента и изделий;

• изучить основные группы современных материалов, их свойства и области применения;

• дать понятия о современных методах исследования структуры и прогнозирования эксплуатационных свойств материалов и изделий.

Знакомство с основами материаловедения необходимо не только инженерам и научным работникам, но и любому современному человеку.

Как показывает практика и обширные научные исследования в области физики твердого тела (ФТТ) и материаловедения, наличие тех или иных свойств определяется внутренним строением сплавов. В свою очередь, строение сплава зависит от состава и характера предварительной обработки. Таким образом, можно установить следующие связи между характеристиками материала (рис. 1.2):

Рис. 1.2. Схема связей между характеристиками материала

Изучение представленных связей составляет предмет материаловедения. В результате изучения предмета студент должен уметь:

• правильно выбрать материал для изделия;

• назначать его обработку с целью получения заданной структуры и свойств;

• оценивать поведение материала при воздействии на него различных эксплуатационных факторов;

• определять опытным путем основные характеристики материалов.

Основную часть всех материалов составляют металлы.

В физике деление на металлы и неметаллы определяется по поведению электросопротивления материала: у металлов оно определяется электронным строением оболочек и при Т  0 К   0, в то же время у неметаллов, т.е. полупроводников и диэлектриков при Т  0   .

Все металлы делятся на две большие группы: черные металлы и цветные металлы. В свою очередь, эти две группы делятся на подгруппы (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Классификация металлов: а- черных; б- цветных

В зависимости от температуры и давления (для металлов в основном от температуры, Р-соnst) все вещества могут находиться в четырёх агрегатных состояниях: плазмообразном, газообразном, жидком и твердом.

Плазма – ионизированный газ, в котором объёмные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов равны.

В газообразном состоянии атомы практически не связаны друг с другом и хаотически перемещаются в пространстве.

В жидком состоянии атомы слабо связаны друг с другом, существует ближний порядок, вещество занимает форму сосуда, части легко отделимы друг от друга.

В твердом состоянии атомы взаимодействуют друг с другом по определенному закону, в структуре имеется как ближний, так и дальний порядок, атомы образуют кристаллическую решетку того или иного вида.

Переход между агрегатными состояниями сопровождается изменением свободной энергии:

F = U – TS,

где U – внутренняя энергия;

T – температура;

S = q / T – энтропия (связана с теплом).

Исторически сложились два подхода к трактовке свойств и явлений, происходящих в твердых веществах, в частности в металлах:

• макроскопический или феноменологический;

• микроскопический или атомистический.

В макроскопическом подходе характерна трактовка твердого тела как сплошной среды без детализации его внутреннего строения. Подход взят на вооружение сопротивлением материалов и другими науками.

В микроскопическом подходе описание и объяснение свойств твердых тел основано на законах взаимодействия составляющих его частиц, т.е. на атомном уровне. В этом подходе реализуется цепочка: структура – свойство. Микроскопический подход на сегодня является единственным строго научным подходом к интерпретации наблюдаемых свойств и явлений в твердых телах.

2. Атомно-кристаллическое строение металлов

Металлические материалы. 83 из известных 112 химических элементов таблицы Менделеева Д. И. являются металлами. Они обладают рядом характерных свойств:

• высокой тепло- и электропроводностью;

• положительным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление растет);

• термоэлектронной эмиссией (испусканием электронов при нагреве);

• хорошей отражательной способностью (блеском);

• способностью к пластической деформации;

• полиморфизмом.

Наличие перечисленных свойств обусловлено металлическим состоянием вещества, главным из которых является наличие легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости.

Металлическое состояние возникает в совокупности атомов, когда при их сближении внешние (валентные) электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими и свободно перемещаются между положительно заряженными, периодически расположенными ионами. Силы притяжения (силы связи) в твердых телах существенно отличаются по своей природе. Обычно рассматривают четыре основных типа связей в твердых телах: ван-дер-ваальсовые, ковалентные, металлические, ионную.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной ячейкой.

Для характеристики элементарной ячейки используют параметры кристаллической решётки: три ребра а, в, с, измеряемых в ангстремах (1Å = 1* 10^-8см) или в килоиксах – kX (1kX = 1,00202 Å) и три угла , , , а также компактность структуры  - отношение объема, занимаемого атомами, к объёму ячейки ( для решётки ОЦК  = 64 %, для решётки ГЦК  = 74 %) и координационное число К - число ближайших соседей данного атома: для решётки ОЦК это число равно 8, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат восьми элементарным ячейкам (рис.2.1.а), для решётки ГЦК это число равно 12, т.е. атомы, находящиеся в вершине, принадлежат двенадцати элементарным ячейкам (рис. 2.1.б).

Рис.2.1. Схема определения координационного числа кристаллической решётки: а – ГЦК; б – ОЦК; в – ГПУ

Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решётка. В простой кубической решётке атомы расположены (упакованы) недостаточно плотно.

Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию решеток других типов (рис. 2.2):

- объёмноцентрированной кубической решётки (ОЦК) (рис.2.2а) с параметром

а = 0,28 – 0,6мм = 2,8 – 6,0 Å

- гранецентрированной кубической решётки (ГЦК) (рис.2.2б) с параметром

а = 0,25мм

- гексагональной плотно упакованной решётки (ГПУ) (рис.2.2в) с параметром

с / а  1,633

Рис. 2.2. Кристаллические решётки: а – гранецентрированный куб (ОЦК); б – объемноцентрированный куб (ГЦК); в- гексагональная плотно упакованная (ГПУ)

Узлы (положения атомов), направления в плоскости и в пространстве обозначаются с помощью так называемых индексов Миллера (рис. 2.3). Индексы узла записываются – (mnp), индексы направления - mnp, индекс плоскости - (hk1).

Рис. 2.3. Символы некоторых важнейших узлов, направлений и плоскостей в кубической решётке

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решётки многие свойства отдельно взятого кристалла (химические, физические, механические) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. Различие свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропны. Анизотропия – особенность любого кристалла, характерная для кристаллического строения.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из совокупности кристаллитов с различной ориентацией. При этом свойства во всех направлениях усредняются.