Материаловедение - прикладная наука о связи состава, строения и свойств материалов. Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии. Для конструкционных материалов основными свойствами являются:
физические: плотность, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства;
химические: способность вступать в химические соединения, жаростойкость;
механические: прочность, пластичность, твердость, упругость и вязкость.;
технологические: жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием;
эксплуатационные: сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.
Все эти свойства определяются составом и строением материалов.
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
1.1. Характеристика кристаллических решеток
В природе существуют две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные.
Кристаллическиетела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Переход из одного состояния в другие протекает при определенной температуре плавления.
Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.
Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное. В результате длительной выдержки при температуре, а в некоторых случаях при деформации, нестабильность аморфного состояния проявляется в частичной или полной кристаллизации. Пример: помутнение неорганических стекол при нагреве.
Кристаллические тела характеризуются упорядоченной структурой. В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления используют следующие понятия: тонкая структура, микро- и макроструктура.
Тонкая структура описывает расположение элементарных частиц в кристалле и электронов в атоме. Изучается дифракционными методами рентгенографии и электронографии. Большинство кристаллических материалов состоит из мелких кристалликов - зерен. Наблюдают такуюмикроструктурус помощью оптических или электронных микроскопов.Макроструктуруизучают невооруженным глазом или при небольших увеличениях, при этом выявляют раковины, поры, форму и размеры крупных кристаллов.
Закономерности расположения элементарных
частиц в кристалле задаются кристаллической
решеткой. Для описания элементарной
ячейки кристаллической решетки используют
шесть величин: три отрезка - равные
расстояния до ближайших элементарных
частиц по осям координатa,
b, c и три угла между
этими отрезками
.
Соотношения между этими величинами
определяют форму ячейки. По форме ячеек
все кристаллы подразделяются на семь
систем, типы кристаллических решеток
которых представлены на рис.1.
Рис.1.
1 – кубическая; 2 – тетрагональная; 3 – ромбическая; 4 – ромбоэдрическая; 5 – гексагональная; 6 – моноклинная; 7 – триклинная
Отрезки a, b, c- периоды решетки, определяют размер элементарной ячейки. В большинстве случаев решетки сложнее, так как элементарные частицы находятся не только в узлах кристаллической решетки, но и на ее гранях или в центре решетки. Наиболее распространенные сложные кристаллические решетки металлов представлены на рис.2.
Рис. 2.
а) объемно-центрированная кубическая (ОЦК); б) гране-центрированная кубическая (ГЦК); в) гексагональная плотноупакованная (ГПУ).
Для задания направления в кристаллической решетке и расположения плоскостей кристалла используются кристаллографические индексы (индексы Миллера). Положение атомных плоскостей в кристалле определяется отрезками, отсекаемыми этими плоскостями при их пересечении с осями координатx, y, z.Эти отрезки измеряются целыми числамиm, n, p, равными длине ребер ячейкиa, b, c,которые являются единичными расстояниями вдоль осей координат. За индексы плоскостей принято брать обратные отрезки:h = 1/m, k = 1/n, l = 1/p.Эти числа заключаются в круглые скобки. На рис.3 представлен ряд плоскостей в простой кубической решетке.
Рис.3
Индексы направления
определяют координаты узла кристаллической
решетки в единицах отрезковa,
b, c, проходят через начало координат
и узлы кристаллической решетки, их
обозначают целыми числами и заключают
в квадратные скобки. Кристаллографические
направления и их индексы в простой
кубической решетке представлены на
рис.4.
Рис.4.
Кристаллические тела обладают свойством анизотропии.Анизотропия- это зависимость свойств кристаллических тел от направления, возникающая в результате разных расстояний между атомами (ионами, молекулами) в различных кристаллографических направлениях. Анизотропия присуща всем свойствам кристаллов: температурному коэффициенту линейного расширения, удельному электрическому сопротивлению, магнитным свойствам, модулю упругости. Но это все характерно для монокристаллов, которые получают в основном искусственным путем. В природе кристаллические тела - поликристаллы, т.е. состоят из множества различно ориентированных кристаллов. В этом случае анизотропии нет, их считают мнимоизотропными. В процессе обработки давлением наблюдается параллельная ориентация различных кристаллов, такие структуры называют текстурованными и они анизотропны.