Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Саратовский государственный аграрный университет

имени Н. И. Вавилова»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

краткий курс лекций

для студентов I курса

Направление подготовки

151000.62 «Технологические машины и оборудование»

Профиль подготовки

Машины и оборудование лесного комплекса

С аратов 2011

УДК 621.7

ББК 34

Рецензенты:

Председатель НМС «Материаловедение и технология конструкционных материалов» при Минобрнауке, доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО «Московский авиационный институт (Университет)»

Фетисов Г.П.

Доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО «Саратовский ГТУ»

Васин А.М.

Доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»

Загородских Б.П.

Материаловедение: краткий курс лекций по дисциплине «Материаловедение» для студентов I курса специальности (направления подготовки) 151000.62 «Технологические машины и оборудование» / Сост. на основе учебного пособия: Материаловедение : учебное. пособие / А. А. Аникин, В. А. Хотинский, А. В. Павлов, А. А. Аникин; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2010.

Краткий курс лекций составлен по дисциплине «Материаловедение»в соответствие с рабочей программой дисциплины и предназначен для студентов направления подготовки 151000.62 «Технологические машины и оборудование». Краткий курс лекций содержит теоретический материал по основным вопросам кристаллизации сплавов, видам термической и химико-термической обработки, а также маркировке и применению сплавов из черных и цветных металлов, композитных и иных специальных материалов. Направлен на формирование у студентов знаний, позволяющих правильно оценивать возможности различных металлов и сплавов при производстве деталей, устанавливать связь между условиями производства и свойствами изготавливаемых деталей для дальнейшего их рационального применения в различных отраслях промышленности.

УДК 621.7

ББК 34

© Аникин А.А., 2011

© ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2011

Введение

Материаловедение рассматривает вопросы строения и свойств металлов, сплавов и других конструкционных материалов, устанавливает связь между составом, строением и свойствами материалов и разрабатывает пути воздействия на свойства, с целью их изменения.

Различают две основные группы материалов: металлы и их сплавы и неметаллические материала. Металлы и сплавы бывают черные и цветные. Основной представитель группы черных металлов это железо и его сплавы на его основе: сталь и чугун. К цветным относят: алюминий, медь, свинец, олово и т. д.

В развитие материаловедения как науки внесли свой вклад многие российские и зарубежные ученые. Так например, П. П. Аносов впервые установил взаимосвязь строений стали и ее свойств. Российский металлург Д. К. Чернов открыл полиморфизм стали и считается основоположником научного металловедения. Н. С. Курнаков провел классификацию сложных фаз в металлических сплавах и показал взаимосвязь фазового состава и свойств сплавов. Теория и технология термической обработки стали неразрывно связаны с именами С. С. Штейнберга, Н. А. Минкевича. Развитие материаловедения навечно связано с такими именами российских ученых, как: Н. В. Агеев, А. А. Байков, А. А. Бочвар, К. П. Бунин и многие другие.

Среди крупных зарубежных ученых, внесших значительный вклад в развитие данной науки, могут быть названы, например, А. Ле-Шателье,

Ф. Осмонд, Р. Аустен, У. Г. Брег, Н. Ф. Мотт, П. Дебай и др.е-Шателье, Ф. арубежных ученых, внесших значительный вклад в развитие данной науки, могут быть названы, например, А. тв сплавов

Лекция 1 кристаллическое строение металлов

1. Металлический тип связи в кристаллах

Что такое металл? В химии металл – это элемент, у которого на внешней электронной оболочке находится 1, 2 или 3 электрона, они относительно легко отрываются от атома, который становится положительным ионом.

В технике – это материалы, обладающие высокой тепло- и электропроводимостью, очень пластичны и имеют металлический блеск.

В твердом состоянии металлы имеют кристаллическое строение. Какими силами связаны атомы в кристаллической решетке?

Существует три главных типа связи в кристаллической решетке: металлический тип связи (между атомами металлов); ионный – (между атомами металлов и неметаллов); ковалентный (между атомами неметаллов).

Рассмотрим только металлический тип связи, благодаря которому металлы приобретают присущие им свойства.

В узлах кристаллической решетки металлов находятся положительные ионы, а внешние (валентные) электроны образуют электронный «газ» (рис. 1.1). Атомы в решетке связаны силами взаимного притяжения и отталкивания между положительно заряженными ионами и электронным «газом». Такая связь не является жесткой и направленной, поэтому атомы могут скользить друг относительно друга, не нарушая сплошности материала, что и обеспечивает высокую пластичность металлов. Наличие электронного «газа» обеспечивает электро- и теплопроводность металлов.

Рисунок 1.1. Схема металлического типа связи в кристаллической решетке

Металлическим типом связи объясняется несложность и плотная упаковка в кристаллической решетке металлов.

У металлов, в основном, наблюдается всего три типа кристаллических решеток (рис. 1.30):

- гранецентрированная кубическая (ГЦК) – Cu, Al, Pt, Ni, Fe , Co , Ag, Au и др.;

- объемноцентрированная кубическая (ОЦК) – Mo, Fe , V, Nb, Na, Ti , Zr , Cr, Ta, K, Li, W и др.;

- гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – Mg, Ti , Be, Y, Zr , H, Co , Cd и др.

Некоторые металлы изменяют свою кристаллическую решетку в зависимости от внешних условий (температуры и давления) – это явление называется полиморфизмом или аллотропией. Например,( при атмосферном давлении) до 882⁰ С существует Ti c ГПУ- решеткой. А при более высокой температуре - Ti c ОЦК- решеткой. Аллотропию имеют Fe, Co, Ca, Ti, Sn и др.

Размеры элементарной ячейки называются параметрами, которые обозначаются а, b,С (см. рис. 1.2) и измеряются в ангстремах (1⁰А=10^-8 см) или в нанометрах (1нм 10⁰А=10^-9м).

Рисунок 1.2. Схемы элементарных ячеек металлов

Кристаллические решетки принято также характеризовать координационным числом, которое указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке. Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов. Наиболее плотно упакованы решетки ГЦК (К120 и ГПУ (Г12); ОЦК имеет координационное число 8 (К8).

На рис. 1.3 изображена схема кубической решетки и обозначены три различных направления, по которым будем прикладывать растягивающие усилия. Очевидно, что деформация кристалла начнется по этим направлениям при разных усилиях.

Рисунок 1.3. Схематическое изображение анизотропности в кристаллах

Зависимость свойств от направления называется анизотропией.

Газы, жидкости и аморфные тела изотропны, т.е. свойства не зависят от направления (изо – одинаковый; ан – не). В кристаллах от направления зависят не только механические, но и физические, химические свойства. В поликристаллических телах, состоящих из миллионов кристалликов, расположенных неориентировано, свойства выравниваются по направлениям. Такие тела – квазиизотропны (квази – как бы). Однонаправленность кристаллитов в поликристаллическом теле называется текстурой. Текстурированный металл также анизотропен.