Понятие промышленных материалов

Конструкционный материал – материал, предназначаемый для изготовления деталей машин и механизмов и способный выдержать прикладываемые к деталям нагрузки.

Рис. 7. Классификация конструкционных материалов

Под металлами понимают определенную группу элементов, расположен­ную в левой части Периодической таблицы Д.И.Менделеева. В технике под металлом понимают вещества, обладающие "металлическим блеском", в той или иной мере присущим всем металлам, и пластичностью. По этому приз­наку металлы можно легко отличить от неметаллов, например дерева, кам­ня, стекла или фарфора.

Особенность строения металлических веществ заключается в том, что они все построены в основном из таких атомов, у которых внешние элект­роны слабо связаны с ядром. Это обусловливает и особый характер хими­ческого взаимодействия атомов металла, и металлические свойства. Элект­роны имеют отрицательный заряд, и достаточно создать ничтожную раз­ность потенциалов, чтобы началось перемещение электронов по направле­нию к положительно заряженному полюсу, создающие электрический ток. Вот почему металлы являются хорошими проводниками электрического тока, а неметаллы или не являются. Слабая связь наружных электронов с ядром обусловливает химические и физические свойства металлов.

В силу указанных выше особенностей металлы и их сплавы имеют сле­дующее атомно-кристаллическое строение. В определенных местах кристал­лической решетки располагаются положительно заряженые ионы, а наруж­ные свободные электроны создают внутри металла, как бы легкотекучую жидкость, или электронный газ, который беспорядочно движется во всех направлениях. При определенных условиях, например при создании разнос­ти потенциалов, движение электронов получает определенное направление и возникает электрический ток.

Теория металлического состояния рассматривает металл как вещест­во, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных отрицатель­но заряженными частицами - электронами, слабо связанными с ядром. Эти электроны непрерывно перемещаются внутри металла и принадлежат не од­ному какому-то атому, а всей совокупности атомов.

Таким образом, характерной особенностью атомно-кристаллического строения металлов является наличие электронного газа внутри металла, слабо связанного с положительно заряженными ионами. Легкое перемещение этих электронов внутри металла и малая их связь с атомами обусловлива­ют наличие у металлов определенных металлических свойств (высокая электро- и теплопроводность, металлический блеск, пластичность и др.)

Все металлы можно разделить на две большие группы - черные и цветные металлы.

Черные металлы темно-серого цвета, с большой плотностью (кроме щелочноземельных) , высокой температурой плавления, и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типич­ным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, отно­сительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Все металлы - можно подразделить следующим об­разом:

1. Железные металлы - железо, кобальт, никель и близкий к ним по своим свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответс­твующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы (вольфрам), температура плавления которых выше, чем железа (т.е. 1539 ^оС),применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

3. Редкоземельные металлы (РМЗ) - лантан, церий, неодим, празео­дим и др., объединяемые под названием лантаноидов, и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий.

4. Щелочноземельные металлы (литий, калий, натрий и др) в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением специальных случаев.

Цветные металлы подразделяются:

1. Легкие металлы - бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы - серебро, золото, металлы платиновой группы.

3. Легкоплавкие металлы - цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойс­твами - галлий, германий.

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Это понятие используют для описания атомно-кристаллической структуры и является воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм, размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.

Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Рис. 8. Схема кристаллической решетки

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются

 размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными.

- углы между осями (∠ α ∠ β ∠ χ ).

- координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

- базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

- плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;

- примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

- базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

- объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

- гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней

Рис. 9. Типы кристаллических решеток

Основными типами кристаллических решеток являются:

1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.9а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Fe_α)

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, Fe_β)

3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

• Простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

• Плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).