Пермский военный институт внутренних войск

МВД России

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ

Учебное пособие

Пермь, 2011

УДК 621.791

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Ю.Д.Щицын

(Пермский государственный технический университет);

д-р техн. наук, проф. В.Я.Беленький

(Пермский государственный технический университет)

Косолапов О.А., Ериков А.П., Логинов В.В., Цимберов Д.М.

Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебное пособие. – Пермь: ПВИ ВВ МВД России, 2011. – 84 с.

Описаны атомно-кристаллическое строение металлов, свойства металлов, строение и свойства сплавов, термическая, химико-термическая, термомеханическая обработка стали, способы повышения надёжности работы машин.

Описаны материалы, применяемые для изготовления деталей машин и конструкций, приведена их классификация и маркировка, указаны области их применения.

Курс лекций предназначен для курсантов, изучающих дисциплину «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

УДК 621.791

Раздел 1. Конструкционные материалы

1. Атомно-кристаллическое строение металлов

1.1. Кристаллические решетки металлов

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, их атомы располагаются в пространстве с определенной закономерностью, образуя кристаллическую решетку.

Н аименьшая часть объема кристаллической решетки, которая определяет ее систему, называется элементарной кристаллической ячейкой. Любое кристаллическое тело можно представить построенным из элементарных кристаллических ячеек, многократно повторяемых в направлениях осей координат (рис. 1, а).

Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях. Это объясняется тем, что число атомов, приходящееся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Чаще всего встречаются три типа: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная кристаллические решетки.

В элементарной ячейке кубической объемно-центрированной решетки (рис. 1, б) содержится девять атомов: восемь располагаются по узлам ячейки и один атом  в центре (Mo, W, Na, K, Fe_ и др.).

В элементарной ячейке кубической гранецентрированной решетки (рис. 1, в) находится четырнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и в центре каждой грани (Ni, Cu, Al, Fe_, и др.).

В элементарной ячейке гексагональной плотноупакованной решетки (рис. 1, г) содержится семнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и центрах шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы (Mg, Zn, Ti_ и др.).

1.2. Полиморфизм

Полиморфизмом или аллотропией называют способность металла в твердом состоянии при изменении температуры перестраивать свою кристаллическую решетку. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла. Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждая модификация устойчива лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур. Аллотропические формы обозначаются греческими буквами , ,  и т.д. На кривых охлаждения и нагрева переход из одного состояния в другое характеризуется остановкой (для чистых металлов) или изменением характера кривой (для сплавов), что связано с выделением или поглощением теплоты. При аллотропических превращениях кроме изменения свойств (теплопроводности, электропроводности, механических, магнитных и др.) наблюдают изменения объема металла и растворимости (например, углерода в железе). Аллотропические превращения свойственны многим металлам (железу, олову, титану и др.).

Железо известно в двух полиморфных модификациях   и . На рис. 2 приведена кривая охлаждения железа.

Железо при комнатной температуре обладает ОЦК решеткой; эту модификацию называют -железом. При нагреве до 768 С -железо теряет магнитные свойства, кристаллическая решетка при этом не меняется. При 911 С ОЦК решетка в железе превращается в ГЦК; железо с такой решеткой называют -железом. При 1392 С -железо превращается в -железо с ОЦК решеткой, существующее до температуры плавления 1539 С.