А – кубическая объмно-центрированная (оцк); б – кубическая гранецентрированная (гцк); в – гексагональная плотноупакованная (гпу)

Кристаллографические обозначения атомных направлений и плоскостей.

Индексы Миллера. Чтобы определить индексы плоскости нужно:

1 – определить отрезки на осях координат, отсекаемые этой плоскстью;

2 – выразить эти отрезки в параметрах решетки;

3 – взять числа, обратные полученным;

4 - сделать числа целыми.

Например, плоскость октаэдра 111. У ГПУ индексы – 4 числа.

Индексы направления определяются по координатам ближайшего атома в данном направлении. Пример ( рисунок 2)

Рисунок 2 – Индексы кристаллографических плоскостей и

Направлений в кубической решетке (оцк)

Хотя координаты атома в центре [ ½ ½ ½ ], но должны быть только целые числа, т.е. [111]. Для направления 2 – [110].

Индексы направлений и индексы перпендикулярных им плоскостей совпадают (только для кубической системы).

Вопрос № 3. Дефекты кристаллического строения

Размер и конфигурация дефектов. Реальные кристаллы имеют дефектную структуру. Дефект кристаллической решетки – это область, где нарушено расположение атомов и окружение соседних атомов не идентично окружению в идеальном кристалле. Дефект – это любое искажение кристаллической решетки.

Дефекты классифицируют по их размерам. Различают:

1 – нуль-мерные (точечные) – вакансии, межузельные атомы, примесные атомы.

Образование вакансий – самопроизвольный процесс. Это беспорядок, который необходим порядку в других узлах кристаллической решетки; основной механизм образования вакансий – растворение пустоты в кристалле (по Шотки, т.е. внешнее испарение); основной источник вакансий – линейные, объемные и поверхностные дефекты. В металле всегда присутствуют примесные атомы – это прежде всего растворенные водород, азот, углерод и т.п.. В решетке одного металла могут растворятся другие металлы(во сплавах) с большим атомным радиусом (рисунок 3).

Рисунок 3 – Точечные дефекты в кристаллической решетке:

А – вакансии; б – атом внедрения; в – примесный атом внедрения

Около вакансий и межузельных атомов решетка всегда будет искажена. Точечные дефекты могут взаимодействовать друг с другом, например, примесные атомы могут присутствовать в месте вакансии, тогда общее искажение решетки уменьшается.

Точечные дефекты играют большую роль в протекании диффузионных процессов в металлах.

2 – одномерные (линейные) – цепочки точечных дефектов, дислокации.

Дислокации – это линейный дефект, нарушающий правильное чередование атомных плоскостей. Край лишней полуплоскости (экстраплоскости) наз. краевой дислокацией (рисунок 4). Винтовая дислокация – граница незавершенного сдвига.

Рисунок 4 – Схема винтовой дислокации

Дислокации характеризуются вектором Бюргерса ( b ),который показывает направаление и величину смещения кристаллической решетки при движении дислокации.bимеет постоянное значение вдоль линии дислокации. Вектор Бюргерса характеризует энергию искажения кристаллической решетки вокруг дислокации. Кроме того важной характеристикой является плотность дислокаций, характеризующая суммарное количество дислокаций в металле. Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокаций в см, приходящуюся на 1 см³, т.е. размерность- см^-2. Для металлов плотность дислокаций колеблется обычно в пределах 10⁸-10¹³см^-2, т.е. миллион км дислокаций в 1 см³.

В отличие от точечных дефектов (вакансий) дислокации не двигаются самопроизвольно и хаотически. Но достаточно небольшого напряжения, чтобы дислокация начала двигаться, образуя плоскость, а в разрезе – линию скольжения. Дислокации могут взаимодействовать друг с другом. Разноименные дислокации в одной плоскости притягиваются и могут аннигилировать, одноименные – отталкиваются. Если дислокации находятся в параллельных плоскостях, то они занимают положение, соответствующее минимальной энергии. При движении дислокаций, находящихся под углом друг к другу, могут пересекаться, образуя сидячие дислокации.

Дислокация никогда не обрывается в кристалле, она либо выходит на поверхность, либо замыкается. Примесные атомы, как правило скапливаются у дислокаций, образуя атмосферы Коттрелла. Они затрудняют движение дислокаций.

3 – двумерные (поверхностные) – поверхность кристалла, границы блоков, зерен, двойников, дефектов упаковки.Между зернами имеется пограничный слой с сильно искаженной структурой и с высокой концентрацией точечных и линейных дефектов кристаллической решетки. Граница зерна обладает всегда избыточной поверхностной энергией. Аналогично границы блоков, двойников, дефектов упаковки имеют повышенную поверхностную энергию.

Рисунок 5 – Схема образования двухмерного дефекта

4 – трехмерные (объемные) – различные включения или выделения, поры. В реальном металле, особенно в сплавах, всегда присутствуют различные включения – неметаллические, частицы твердых фаз (карбидов, силицидов), а также микропоры, которые могут быть источниками зарождения микротрещин в процессе эксплуатации изделия.

Вопрос № 4. Понятие микроструктуры.

Зерно в металле не является монолитным, а состоит из отдельных блоков размерами 10^-5– 10^-3см (1000-100000 А), кристаллографические плоскости в которых повернуты друг относительно друга на небольшой угол – порядка нескольких минут. Такое строение зерна носит название мозаичной структуры, а составляющие ее блоки называются блоками мозайки. Часто блоки объединяются в более крупные фрагменты, которые также разориентированы относительно друг друга на угол в несколько градусов. Зерна металла разориентированы относительно друг друга на величину в несколько десятков градусов. Такая трехступенчатая структура не обязательна. Зерна могут состоять из фрагментов без внутренней блочной структуры или только из блоков. Термический процесс, вызывающий деление зерна на фрагменты, называется фрагментацией или полигонизацией

Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом пли при небольшом увеличении в 30 40 раз) и микроструктуру (строение металла пли сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях).

Макроструктуру можно исследовать по излому и на специальных макрошлифах. Изучение излома - наиболее простой метод выявления кристаллического строения металлов. По излому можно судить о размере зерна, особенностях выплавки и литья (температуре литья, скорости и равномерности охлаждения сплава и т. д.), термической обработке, а следовательно, и о некоторых свойствах металла. Вид излома используют в качестве критерия при определении склонности стали к хрупкому разрушению.

При изучении макроструктуры на специальных макрошлифах (темплетах образцы вырезают из крупных заготовок (слитков, поковок и т. д.) или изделий поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами.

При исследовании макрошлифа можно определить форму и расположение зерен в литом металле; волокна (деформированные кристаллиты) в поковках и штамповках, дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т, д.); химическую неоднородность сплава, вызванную процессом кристаллизации или созданную термической или химико-термической (цементация, азотирование и т. д.) обработкой.

Микроструктура показывает взаимное расположение фаз их форму и размеры.

Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляю микрошлиф, т. е. небольшой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами.

Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе — оптическом или электронном.

Для рассмотрения микрошлифов при исследовании микроструктуры металлов применяют специальные микроскопы, в которых луч от источника света, отражаясь от шлифа, проходит через объектив и окуляр, давая соответствующее увеличение.

Иногда требуется рассмотреть более грубые детали структуры –конгломераты отдельных более или менее однородных зерен и т. д. В этом случае после глубокого травления шлиф рассматривают глазом (или при помощи лупы). Выявленная таким образом структура называется макроструктурой (а шлиф – макрошлифом).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое использование в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материалов в тесной связи с их свойствами. Основные свойства материалов можно подразделить на физические, химические, механические, технологические и специальные.

Металлы являются телами кристаллическими. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно, находясь в определенных местах на вполне определенных расстояниях друг от друга. При этом атомы не перемещаются друг относительно друга, т. е. они имеют постоянных соседей. Находясь на своих местах, атомы вследствие термокинетического эффекта совершают колебания частотой 10¹³ Гц с изменяющейся в зависимости от температуры амплитудой.

Таким образом, сущность кристаллического строения металлов заключается в упорядоченном расположении в них атомов друг относительно друга.

Контрольные вопросы:

1 В чем сущность кристаллического строения металлов?

2 Какие типы кристаллических решеток Вам известны?

3 Как обозначаются кристаллографические направления в плоскости?

4 Какие существуют дефекты кристаллического строения?

5 Какие вещества называются металлами?

Лекция № 12. Строение и свойства металлических сплавов

Цели лекции:

1.Учебные:

- изучить виды фаз в сплавах;

- изучить химический состав сплава;

- изучить диаграммы состояния сплавов;

- знать понятие фазового состава сплава;

- знать диаграммы фазового равновесия.

2. Воспитательная:

- формирование познавательной потребности, стремления к глубокому усвоению материала.

3. Развивающая:

- развитие умения воспринимать учебный материал в готовом виде и осмысленно отображать его в конспекте.

- развитие навыков построения диаграмм

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакаты:

1 Плакат диаграммы состояния сплавов.

Литература, использованная при подготовке к лекции:

Гуляев А.П. Металловедение: Учеб. для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностр. вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение. 1980. – 493 с.

Материаловедение. Учеб. для вузов. Травин О.В., Травина Н.Т., М.: Металлургия, 1989. – 384 с.

Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностр. спец. вузов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2001. – 638 с.

Пейсахов А.М., Кучер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учеб.– 2-е издание. – СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2004. – 407 с.

Технология металлов и материаловедение / Б.В. Кноров, Л.Ф. Усова, А.В. Третьяков и др. Под ред. Л.Ф. Усовой. – М.: Металлургия, 1987. – 800 с.