1. Строение металлов. Кристаллизация металлов.

Материаловедение - наука, которая рассматривает строение и свойства металлов сплавов и других конструкционных материалов. Изучение этого курса позволяет осуществлять рациональный выбор материала для конкретных применений.

2 группы материалов: металлы и их сплавы и неметаллические материалы.

Металловедение наука изучающая связь состава, строения и свойств металлов и сплавов в различных термодинамических условиях.

Строение металлов.

Металлы делятся:

Черные (железо и его сплавы).

Цветные (остальные металлы и их сплавы).

Общим свойством металлов и их сплавов является их кристаллическое строение.

Известно, что все тела состоят из атомов. Тела в которых атомы расположены беспорядочно - аморфные (стекло, воск, смола и др.).

Кристаллические тела, к которым относятся все металлы и их сплавы характеризуются упорядоченным расположением атомов. В них атомы располагаются в углах кристаллических решеток.

Аморфные тела изотропны, т.е. имеют одинаковые свойства по всем направлениям.

Кристаллические тела, анизотропны у них неоднородные свойства в разных геометрических направлениях.

В процессе кристаллизации металлов и сплавов могут образовываться кристаллические решетки разного типа. Наиболее распространенными являются объемно-центрированные кубические, гранецентрированные кубические и гексагональные.

Гранецентрированная и гексагональная - характеризуются наиболее плотной упаковкой атомов и их компактным размещением.

Расстояния между соседними атомами в решетке очень малы. Для их измерения пользуются особой единицей Ангстремом (А) 1А =10^-8 см.

Решетку объемно-центрированного куба имеют: K, Cr, Fe_, Pb, W;

Гранецентрированного куба: Al, Fe_, N, Cu, Au, Ag;

Гексагональная - Be, Mg, Zn, T;

Некоторые металлы (Fe, Mn, кобальт) в зависимости от температуры нагрева могут иметь кристаллические решетки различного строения и, следовательно обладать различными свойствами. Это явление называется аллотропией. Аллотропия превращения сопровождается процессом перестройки атомов в кристаллической решетке и выделением или поглощением теплоты. Аллотропию формы обозначают , ,  и т.п.

К металлам не перестраивающим свои решетки при нагреве относятся Al, Mg, Cu.

Кристаллизация металлов

Всякое вещество может находится в 3-х стационарных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Переход из одного состояния в другое может проходить при определенной температуре плавления или кипения.

Переход металла из жидкого состояния в твердое при определенной температуре называют кристаллизацией.

Процесс кристаллизации металлов складывается из двух процессов:

1. образование центров кристаллизации (зародышей);

2. рост кристаллов из этих центров.

При температуре кристаллизации в жидком металле сначала образуются центры кристаллизации (примеси, шлаковые и неметаллические включения). После образования зародышей атомы жидкого металла, расположенные беспорядочно, начинают располагаться вокруг зародышей и образуют кристаллы правильной геометрической формы, т.к. кристаллизация начинается одновременно во многих местах и рост кристаллов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, сталкиваясь между собой, мешают свободному росту каждого. Кристаллы приобретают неправильную форму их называют кристаллитами, полиэдрами, зернами. Каждое зерно состоит из большого количества мелких кристаллических решеток, в которых атомы расположены закономерно.

При наблюдении за нагревом и охлаждением чистого металла могут быть построены кривые охлаждения и нагревания:

t₁

t_{переохл}

t_{переохл}

t_пл

t₂

б) охлаждение

без

переохлаждения

в) с переохлаждением

г) с петлей переохлаждения

д) охлаждение аморфного тела

в) время охлаждения сплава

а) нагрев

Горизонтальный уголок соответствует температуре остановки (t_{отвердения} и t_{плавления} чистого металла).

Аморфные тела не имеют выраженной границы при переходе из жидкого состояния в твердое (с увеличением температуры идет постоянно). При охлаждении металлов и сплавов наблюдается явление переохлаждения которое заключается в том, что металл или сплав остаются в жидком состоянии при температуре ниже температуры затвердевания.

У некоторых металлов на кривой охлаждения образуется петля, указывающая на то, что результате большого переохлаждения в начальный момент кристаллизации бурно выделяется скрытая теплота затвердевания и температура металла скачком повышается, приближаясь к температуре плавления.

Чем больше скорость охлаждения, тем больше переохлаждение (олово, сурьма, висмут).

Охлаждение и нагревание сплавов характеризуется тем, что затвердевание и расплавление у них происходит не при одной определенной температуре, а в интервале температур. Начало затвердевания - t₁, конец - t₂.

Температуры при которых происходят аллотропические и агрегатные превращения, называются критическими температурами или критическими точками.