Методические указания к изучению дисциплины раздел 1. Основы материаловедения

Свойства материалов определяются их структурой. Нужно четко представлять принципиальную разницу в строении кристаллических и аморфных тел; разобраться в форме элементарных ячеек пространственных кристаллических решеток; понять, чем объясняется анизотропия свойств кристаллов, в чем физический смысл полиморфных превращений, каково практическое значение полиморфизма, вызывающее изменение свойств металла в процессе термической обработки.

Важным является понятие существенного отличия реального строения кристаллической решетки от идеального, без структурных несовершенств. Расположение атомов, приближающее кристаллическую решетку к идеальной, встречается лишь в отдельных частях образующихся кристаллитов, а также в монокристаллах. Различные несовершенства строения решетки: линейные искажения (дислокации), пустые места (вакансии), включения чужеродных атомов примесей (точечные нарушения), а также их скопления – в значительной мере определяют уровень практически достигаемой прочности. Уменьшением количества дислокации можно приблизить строение кристалла к идеальному и соответственно достичь значения прочности, приближающейся к теоретической. Тонкой очисткой металла от примесей способами химического разложения, электрошлакового переплава, зонной плавки, вакуумирования сокращают число дислокаций и вакансий, добиваются повышения прочности кристаллов железа в 75 раз (15 000 МПа). Повышения прочности в 5-7 раз можно добиться и увеличением количества несовершенств, применяя наклеп, закалку, легирование.

Знание физической сущности механических свойств металлов и сплавов и их числовых значений, а также методов их определения исключительно важно для инженера. Студентам следует понять явление усталости металлов, так как оно является одной из основных причин выхода из строя транспортных деталей: осей, рельсов, пружин, рам тележек.

При изучении процессов расплавления и кристаллизации металлов необходимо уяснить причины, приводящие к фазовым превращениям: стремление к наименьшему запасу свободной энергии, образование центров кристаллизации. Дендритная структура, возникающая при кристаллизации, является следствием неравномерности роста кристаллитов в разных направлениях. При построении кривых охлаждения следует разобраться в физическом смысле температурных остановок, выражаемых площадками и перегибами на кривых, и определить понятие «критической точки».

Взаимодействие компонентов в твердом состоянии определяет структуру, а значит, и свойства сплава. Химическое соединение обладает особой, отличной от исходных компонентов кристаллической решеткой. Зная механические свойства отдельных фаз и структурных составляющих сплавов, например, высокую пластичность чистых металлов и повышенную хрупкость механических смесей, и особенно химических соединений, можно прогнозировать поведение сплава того или иного состава. Умение анализировать диаграммы состояний сплавов, пользуясь правилом фаз и правилом отрезков, позволяет выявить особенности формирования структуры сплава, определить технологические характеристики: температуру заливки при получении отливок, жидкотекучесть, химическую неоднородность, возможность и условия обработки давлением, режим термической обработки. Важно установить отличие в образовании эвтектики и эвтектоида. Изучая диаграмму состояний железо–цементит, установить состав, строение и условия образования различных фаз и структурных составляющих; понимать, в чем структурное различие между техническим железом, сталью и белым чугуном.