Лекции по материаловедению
Подождите немного. Документ загружается.
ВВЕДЕНИЕ
Увеличение в ХХI веке доли пластмасс, керамики и композитов
сопровождается созданием качественно новых видов материалов,
значительно превосходящих по свойствам многие металлические.
Уменьшение доли металлических материалов сопровождается также
качественным их изменением: практически все новые материалы имеют
высоко-, сверх- или ультравысокие свойства.
В начале третьего тысячелетия наиболее распространенными среди
металлических материалов останутся железные сплавы и прежде всего –
стали.
Конец ХХ столетия характеризовался переходом к применению
материалов в метастабильном состоянии, увеличился удельный вес
обработки поверхности стали, использования в качестве теплового
источника концентрированного потока энергии: наибольшее развитие
получили вакуумные, ионные, лазерные и другие процессы.
В новом столетии будут продолжать развиваться на хорошем уровне
плазменная, высокочастотная, индукционная, электронная термическая
обработка.
В области инженерии поверхности интенсивное развитие в начале
ХХI века получат комбинированные процессы, которые резко повышают
эксплуатационные свойства поверхности. К ним прежде всего нужно
отнести сочетание классических диффузионных процессов насыщения
поверхности с нанесением на них покрытий толщиной 3-5 мкм методом
химического и физического осаждения и паровой фазы.
Задачей курса «Материаловедение» (раздел металлов и сплавов)
является возможность дать студентам - машиностроителям сведения о
металлах и сплавах, путях улучшения их механических и
эксплуатационных свойств.
3
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ О МАТЕРИАЛАХ И ИХ СВОЙСТВАХ
Материаловедение – наука, изучающая металлические и
неметаллические материалы, применяемые в технике, объективные
закономерности зависимости их свойств от химического состава,
структуры, способов обработки и условий эксплуатации и
разрабатывающая пути управления свойствами (рис. 1.1).
Теретические основы
материаловедения
Физика твердого тела
Кристаллография
Физическая химия
Металловедение
Металлургия
Технология
металлов
Коррозия
металлов
Теория
прочности
Прикладные науки
Рис. 1.1. Положение металловедения в общей структуре наук
Цель – познание свойств материалов в зависимости от состава и
обработки, методов их упрочнения для наиболее эффективного
использования в технике, а также создание материалов с заранее
заданными свойствами: высокая прочность и пластичность, высокая
электропроводность или высокое сопротивление, специальные магнитные
свойства, сочетание различных свойств в одном материале
(композиционные материалы).
Основные задачи материаловедения:
4
- раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в
материалах при воздействии на них различных факторов в условиях
производства и эксплуатации;
- установить зависимость между составом, строением и свойствами
материалов;
- изучить теорию и практику различных способов упрочнения
материалов для повышения высокой надёжности и долговечности деталей,
инструмента и изделий;
- изучить основные группы современных материалов, их свойства и
области применения;
- дать понятия о современных методах исследования структуры и
прогнозирования эксплуатационных свойств материалов и изделий.
Знакомство с основами материаловедения необходимо не только
инженерам и научным работникам, но и любому современному человеку.
Как показывает практика и обширные научные исследования в
области физики твердого тела (ФТТ) и материаловедения, наличие тех или
иных свойств определяется внутренним строением сплавов. В свою
очередь, строение сплава зависит от состава и характера
предварительной обработки. Таким образом, можно установить
следующие связи между характеристиками материала (рис. 1.2):
СОСТАВ
СТРОЕНИЕ
СВОЙСТВА
ОБРАБОТКА
Рис. 1.2. Схема связей между характеристиками материала
Изучение представленных связей составляет предмет
материаловедения. В результате изучения предмета студент должен уметь:
- правильно выбрать материал для изделия;
- назначать его обработку с целью получения заданной структуры и
свойств;
- оценивать поведение материала при воздействии на него
различных эксплуатационных факторов;
- определять опытным путем основные характеристики
материалов.
5
Основную часть всех материалов составляют металлы.
В физике деление на металлы и неметаллы определяется по
поведению электросопротивления материала: у металлов оно определяется
электронным строением оболочек и при Т 0 К 0, в то же время у
неметаллов, т.е. полупроводников и диэлектриков при Т 0 .
Все металлы делятся на две большие группы: черные металлы и
цветные металлы. В свою очередь, эти две группы делятся на подгруппы
(рис. 1.3).
Черные металлы
Ферромагнетики
Fe, N1, Co
Тугоплавкие
W, Ta, Mo
Урановые
Редкоземельные
материалы
Щелочные металлы
Цветные металлы
Легкие
Be, Mg, Al
Благородные
Ag, Au, Pt
Легкоплавкие
Zn, Cd, Sn, Pb
(Самый редкий Re)
а)
б)
Рис. 1.3. Классификация металлов: а- черных; б- цветных
В зависимости от температуры и давления (для металлов в основном
от температуры, Р-соnst) все вещества могут находиться в четырёх
агрегатных состояниях: плазмообразном, газообразном, жидком и твердом.
Плазма – ионизированный газ, в котором объёмные плотности
положительных и отрицательных электрических зарядов равны.
В газообразном состоянии атомы практически не связаны друг с
другом и хаотически перемещаются в пространстве.
В жидком состоянии атомы слабо связаны друг с другом, существует
ближний порядок, вещество занимает форму сосуда, части легко отделимы
друг от друга.
В твердом состоянии атомы взаимодействуют друг с другом по
определенному закону, в структуре имеется как ближний, так и дальний
порядок, атомы образуют кристаллическую решетку того или иного вида.
6
Переход между агрегатными состояниями сопровождается
изменением свободной энергии:
F = U – TS,
где U – внутренняя энергия;
T – температура;
S = q / T – энтропия (связана с теплом).
Исторически сложились два подхода к трактовке свойств и явлений,
происходящих в твердых веществах, в частности в металлах:
- макроскопический или феноменологический;
- микроскопический или атомистический.
В макроскопическом подходе характерна трактовка твердого тела
как сплошной среды без детализации его внутреннего строения. Подход
взят на вооружение сопротивлением материалов и другими науками.
В микроскопическом подходе описание и объяснение свойств
твердых тел основано на законах взаимодействия составляющих его
частиц, т.е. на атомном уровне. В этом подходе реализуется цепочка:
структура – свойство. Микроскопический подход на сегодня является
единственным строго научным подходом к интерпретации наблюдаемых
свойств и явлений в твердых телах.
2. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Металлические материалы. 83 из известных 112 химических
элементов таблицы Менделеева Д. И. являются металлами. Они обладают
рядом характерных свойств:
- высокой тепло- и электропроводностью;
- положительным коэффициентом электросопротивления (с
повышением температуры электросопротивление растет);
- термоэлектронной эмиссией (испусканием электронов при
нагреве);
- хорошей отражательной способностью (блеском);
- способностью к пластической деформации;
- полиморфизмом.
Наличие перечисленных свойств обусловлено металлическим
состоянием вещества, главным из которых является наличие
легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости.
Металлическое состояние возникает в совокупности атомов, когда
при их сближении внешние (валентные) электроны теряют связь с
отдельными атомами, становятся общими и свободно перемещаются
между положительно заряженными, периодически расположенными
ионами. Силы притяжения (силы связи) в твердых телах существенно
7
отличаются по своей природе. Обычно рассматривают четыре основных
типа связей в твердых телах: ван-дер-ваальсовые, ковалентные,
металлические, ионную.
Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное
расположение атомов в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов),
расположенных в определенном порядке, который периодически
повторяется в трех измерениях. Наименьший комплекс атомов, который
при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести
пространственную кристаллическую решётку, называют элементарной
ячейкой.
Для характеристики элементарной ячейки используют параметры
кристаллической решётки: три ребра а, в, с, измеряемых в ангстремах
(1Å = 1* 10
-8
см) или в килоиксах – kX (1kX = 1,00202 Å) и три угла
,
,
,
а также компактность структуры
- отношение объема, занимаемого
атомами, к объёму ячейки ( для решётки ОЦК = 64 %, для решётки ГЦК
= 74 %) и координационное число К - число ближайших соседей
данного атома: для решётки ОЦК это число равно 8, т.е. атомы,
находящиеся в вершине, принадлежат восьми элементарным ячейкам
(рис.2.1.а), для решётки ГЦК это число равно 12, т.е. атомы, находящиеся в
вершине, принадлежат двенадцати элементарным ячейкам (рис. 2.1.б).
a
a)
б)
в)
Рис.2.1. Схема определения координационного числа кристаллической
решётки: а – ГЦК; б – ОЦК; в – ГПУ
Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая
решётка. В простой кубической решётке атомы расположены (упакованы)
недостаточно плотно.
Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к
другу, приводит к образованию решеток других типов (рис. 2.2):
8
- объёмноцентрированной кубической решётки (ОЦК) (рис.2.2а) с
параметром
а = 0,28 – 0,6мм = 2,8 – 6,0 Å
- гранецентрированной кубической решётки (ГЦК) (рис.2.2б) с
параметром
а = 0,25мм
- гексагональной плотно упакованной решётки (ГПУ) (рис.2.2в) с
параметром
с / а 1,633
β
α
γ
a)
б)
в)
a
a
b
a
c
x
y
z
Рис. 2.2. Кристаллические решётки: а – гранецентрированный куб (ОЦК); б
– объемноцентрированный куб (ГЦК); в- гексагональная плотно
упакованная (ГПУ)
Узлы (положения атомов), направления в плоскости и в
пространстве обозначаются с помощью так называемых индексов Миллера
(рис. 2.3). Индексы узла записываются – (mnp), индексы направления -
mnp, индекс плоскости - (hk1).
9
[010][010]
[
1
1
1
]
[
1
1
0
]
[
1
1
0
]
[
1
0
1
]
[
1
0
1
]
X [100]
y-y
Z [001]
y
y
y
X
X X
Z
Z
Z
Рис. 2.3. Символы некоторых важнейших узлов, направлений и плоскостей
в кубической решётке
Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях
и направлениях решётки многие свойства отдельно взятого кристалла
(химические, физические, механические) по данному направлению
отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от
того, сколько атомов встречается в этом направлении. Различие свойств в
зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Все
кристаллы анизотропны. Анизотропия – особенность любого кристалла,
характерная для кристаллического строения.
Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из
совокупности кристаллитов с различной ориентацией. При этом свойства
во всех направлениях усредняются.
2.1. Строение реальных кристаллов
Реальный кристалл состоит из скопления большого числа мелких
кристаллов неправильной формы, которые называются зернами или
кристаллитами (рис. 2.4).
10
Рис. 2.4. Блочная структура кристалла: схема (а); реальная блочная
структура в алюминии (б), наблюдаемая в электронном микроскопе на
просвет, (х 35000)
Зерно не является монолитным кристаллом, построенным из строго
параллельных атомных слоев. В действительности оно состоит как бы из
мозаики отдельных блоков, кристаллографические плоскости в которых
повернуты друг относительно друга на небольшой угол – порядка
нескольких минут. Такое строение зерна носит название мозаичной
структуры, а составляющие ее блоки называются блоками мозаики.
Часто блоки объединяются в более крупные агрегаты – так
называемые фрагменты. Фрагменты в свою очередь разориентированы
относительно друг друга в несколько градусов. Зерна ориентированы
случайно по отношению друг к другу. Преимущественная ориентация
зерен называется текстурой. Поверхность раздела зерен называется
границей.
Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из
совокупности кристаллитов с различной ориентацией, что приводит к
изменению свойств металлов при различных процессах их обработки.
При определенных условиях, обычно при очень медленном
контролируемом отводе тепла при кристаллизации, может быть получен
11
кусок металла, представляющий собой один кристалл, который называют
монокристаллом.
2.2. Дефекты кристаллического строения
Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. Реальные
кристаллы всегда содержат несовершенства (дефекты) кристаллического
строения, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние
на свойства металлов.
Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их
измерения в пространстве:
1. Точечные. Точечными дефектами называются нарушения
периодичности кристалла, размеры которых сопоставимы с размерами
атома во всех измерениях.
К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы,
примеси замещения, примеси чужеродных атомов внедрения (рис. 2.5).
Рис. 2.5.Точечные дефекты в кристаллической решетке: а- вакансия;
б - межузельный атом; в- дефект Френкеля; г- примесные атомы
замещения (большой) и внедрения (маленький).
Стрелками указаны направления смещений атомов в решетке.
12