Лекция № 1

Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства различных материалов и устанавливающая связь между составом , строением и свойствами.

Строение и свойства металлов

Почти 3/4 всех существующих в природе элементов являются металлами. Разумеется не все они находят широкое применение в технике. Некоторые из них встречаются очень редко, они чрезвычайно дороги. Это и редкие - берилий, ванадий, уран, драгоценные – серебро, золото, платина и др.

Многие металлы малопригодны к применению , т.к. обладают большой хрупкостью и твердостью ( хром, марганец, сурьма), их используют в качестве добавок к другим металлам.

Металлы, из которых изготавливают детали машин, приборов, называют конструкционными или машиностроительными.

Все металлы делятся на 2 большие группы:

• черные

• цветные

Черные имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным представителем является железо.

Цветные имеют характерную окраску – красную, желтую, белую. Они пластичны, обладают малой твердостью, имеют низкую температуру плавления. Типичным представителем является медь.

Первое научное определение металлов дал М.В.Ломоносов, который писал, что металлы суть светлые тела, которые ковать можно. Т.е. металлы обладают характерным металлическим блеском – светлые и пластичностью – ковать можно. По этому признаку можно отличить металл от камня, дерева, стекла.

Металлы в твердом и отчасти в жидком состояниях обладают рядом характерных свойств:

1. Высокой тепло и электропроводностью

2. Положительным температурным коэффициентом электросопротивления.

С повышением температуры электросопротивление чистых металлов возрастает. Большое число металлов (примерно 30%) обладает сверхпроводимостью. У этих металлов при температуре близкой к абсолютному нулю , электросопротивление падает скачкообразно до нуля.

3. Термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью испускать электроны при нагреве.

4. Хорошей отражательной способностью, металлы непрозрачны и обладают характерным металлическим блеском

5. Хорошей отражательной способностью, металлы непрозрачны и обладают характерным металлическим блеском

6. Повышенной способностью к пластической деформации.

Перечисленные свойства металлов характерны для металлического состояния вещества, главным в котором является наличие свободных электронов.

Все металлы – тела кристаллические.

В природе существует два типа построения твердых тел их атомов – тела могут быть кристаллические и аморфные. они отличаются по своим свойствам.

Аморфные тела – это такие тела, в которых атомы расположены беспорядочно, хаотически. В отличие от жидкостей они имеют пониженную подвижность частиц.

Примерами аморфных тел могут служить стекло, смолы, воск.

Кристаллические тела – это такие тела, в которых атомы расположены в строго определенном порядке, в строго определенной последовательности.

Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до вполне определенной температуры, при которой он переходит в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении .

Переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре.

Все металлы – тела кристаллические. Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле, от пространственного расположения элементарных частиц, химического состава, размера и формы кристаллов.

Все эти детали строения кристаллов описывает понятие – СТРУКТУРА.

В зависимости от размеров структурных составляющих и методов их выявления различают:

• тонкую структуру – описывает расположение частиц в кристалле и электронов в атоме . Изучается дифракционными методами – рентгенографией и т.д.

• микроструктуру –состоящую из мелких кристалликов, зерен, ее наблюдают с помощь. оптических или электронных микроскопов.

• макроструктуру – изучаемую невооруженным глазом или при небольших увеличениях. Выявляет изломы, раковины, поры.

Под атомно-кристаллической структурой металлов понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле.

Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой расположены атомы.

Основными типами кристаллических реш¨ток являются:

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

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

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 (цинПериод решетки металлов находится в пределах от 0,1 до 0,7 нм

Плотность кристаллической решетки- объема, занятого атомами, характеризуется координационным числом – К.

К – число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома.

Чем выше К, тем больше плотность упаковки.

Для ОЦК К=8 для гцк к=12 для ГПУ К=12

Ряд металлов (железо, марганец, титан и др.) в зависимости от температуры и давления могут существовать в состояниях с различными кристаллическими решетками – это явление называется – полиморфизмом.